Famille sommable

La notion de famille sommable vise à étendre les calculs de sommes au cas d'un nombre infini de termes. Contrairement à la notion de série, on ne suppose pas que les termes sont donnés sous forme d'une suite ordonnée mais d'une famille indexée par un ensemble quelconque. Il s'agit donc de pouvoir en définir la somme de façon globale, sans préciser l'ordre dans lequel on procède. De ce fait la sommabilité est plus exigeante que la convergence de série, et a des propriétés supplémentaires.

La sommabilité donne notamment un cadre utile pour l'étude des séries doubles.

Exemple préliminaire

Modèle:Voir La série harmonique alternée, de terme général (–1)Modèle:Exp/n pour n entier strictement positif, converge vers [[Logarithme naturel|Modèle:Math]], tandis que celle obtenue en réordonnant les termes de la suite de façon à sommer deux fois plus vite les termes pairs que les impairs converge vers Modèle:Math.

On souhaite introduire une définition de la somme qui exclut ce genre de situation, et qui assure que la sommation donne le même résultat quel que soit l'ordre choisi.

Définition

Pour parler d'une famille sommable il faut déjà une somme, c'est-à-dire une opération de groupe commutatif. Ensuite, comme le nombre de termes dans la famille est infini, la somme va se définir comme limite de sommes finies ; il faut donc avoir une topologie pour parler de limite. Le cadre le plus général pour les familles sommables est donc un groupe topologique commutatif. Dans la suite de cet article, on se restreint au cadre plus usuel d'un ℝ-espace vectoriel normé.

Modèle:Théorème Autrement dit, JModèle:Ind contient déjà tous les termes importants dans la somme vers le vecteur S ; rajouter un nombre fini quelconque de termes à JModèle:Ind ne modifie plus la valeur de la somme, à ε près. La sommabilité des familles de vecteurs ressemble à un passage à la limite sur des ensembles finis de plus en plus gros. (Il s'agit en fait d'une limite suivant un filtre, ou de limite d'une suite généralisée.)

Propriétés

• Bien sûr, si la famille admet seulement un nombre fini de valeurs non nulles (famille presque nulle), elle est sommable et l'on retrouve la valeur usuelle de la somme.
• Il n'y a aucun ordre sur les indices dans la définition de la sommabilité. Ainsi, si σ est une permutation de l'ensemble I, alors les familles Modèle:Math et Modèle:Math sont de même nature, et si elles sont sommables, ont la même somme. Cette propriété est la généralisation de la commutativité des sommes finies.
• Si la famille est sommable alors pour tout ε > 0, $\{i\in I\mid \Vert u_i\Vert >2\epsilon \}$ est fini car inclus dans JModèle:Ind. Il en résulte que l'ensemble des indices des vecteurs non nuls est au plus dénombrable, comme réunion dénombrable d'ensembles finis :$\{i\in I\mid u_i\ne 0\}=\bigcup _{n\in {\mathbb{N}}^{*}}\{i\in I|\Vert u_i\Vert >\frac{1}{n}\}.$La théorie des familles sommables se ramène donc à celle des séries. Plus précisément :

• Si une famille Modèle:Math est sommable, l'ensemble $\{\sum _{i\in J}{u}_i|J\text{ fini }\subset I\}$ de ses sommes finies est borné.
• L'ensemble des familles sommables dans E indexées par un même ensemble I constitue un sous-espace vectoriel de [[Exemples d'espaces vectoriels#Espaces fonctionnels|EModèle:Exp]] et l'application qui à une famille associe sa somme est linéaire.
• Une famille à valeurs dans un produit fini d'espaces vectoriels normés est sommable si et seulement si chacune de ses composantes l'est, et les composantes de la somme sont alors les sommes des composantes.

Exemples

Cas des réels positifs

Une famille de réels positifs est sommable si (et seulement si) l'ensemble de ses sommes finies est majoré, la somme de la famille étant alors simplement la borne supérieure dans ℝ de cet ensemble.

Par conséquent :

• une famille de réels positifs est sommable si et seulement si l'ensemble des indices de ses termes non nuls est au plus dénombrable et si « la » série correspondante converge ;
• la somme de deux familles de réels positifs (indexées par un même ensemble I) est sommable si et seulement si chacune d'elles l'est.

Cas de ℝModèle:Exp

À toute famille Modèle:Math de réels, on peut associer [[Partie positive et partie négative d'une fonction|ses parties positive Modèle:Math et négative Modèle:Math]] : la valeur absolue Modèle:Math est la somme de ces deux familles de réels positifs et Modèle:Math est leur différence. Ainsi, si Modèle:Math est sommable alors Modèle:Math et Modèle:Math le sont, donc — par linéarité — Modèle:Math est sommable.

La réciproque est vraie aussi, d'après le théorème de réarrangement de Riemann, qui assure que toute série de réels commutativement convergente est absolument convergente. Cette équivalence s'étend par produit fini à ℝModèle:Exp. On peut donc ramener l'étude d'une famille de vecteurs de [[Topologie d'un espace vectoriel de dimension finie|ℝModèle:Exp muni d'une norme arbitraire]] à celle de n familles de réels ou d'une famille de réels positifs :

De plus, de même que dans ℝModèle:Exp, on a encore dans ℝ (donc aussi dans ℝModèle:Exp) : une famille est sommable si et seulement si l'ensemble de ses sommes finies est borné.

Cas particulier des complexes

Dans ℂ ≃ ℝModèle:2, les composantes sont les parties réelle et imaginaire et la norme préférée est le module.

• Soit α réel. La famille (1/(pModèle:2 + qModèle:2)Modèle:Exp), où (p, q) décrit l'ensemble des couples non nuls d'entiers relatifs, est sommable si et seulement si α > 1.
• Plus généralement, pour tout entier N strictement positif, la famille (1/(pModèle:IndModèle:2 + … + pModèle:IndModèle:2)Modèle:Exp), où (pModèle:Ind, …, pModèle:Ind) décrit l'ensemble des N-uplets non nuls d'entiers relatifs, est sommable si et seulement si Modèle:Nobr (par comparaison série-intégrale). Si α est complexe, la condition de sommabilité est donc Re(α) > N/2.
• Soit n un entier et zModèle:Ind, …, zModèle:Ind des complexes de modules strictement inférieurs à 1, alors la famille (zModèle:IndModèle:Exp, …, zModèle:IndModèle:Exp), où chaque exposant kModèle:Ind décrit ℕ, est sommable (comme produit de séries géométriques).

Associativité

La linéarité ci-dessus admet comme cas particulier la généralisation suivante de l'associativité des sommes finies : si deux familles Modèle:Math et Modèle:Math sont sommables alors leur réunion disjointe Modèle:Math l'est aussi, et la somme de Modèle:Math s'obtient en additionnant celles de Modèle:Math et de Modèle:Math.

Dans un espace vectoriel normé non complet, la réciproque est fausse. En effet, on sait que dans un tel espace, il existe des suites Modèle:Math telles que la somme des normes Modèle:Math soit finie mais que la série vectorielle ne converge pas. La famille Modèle:Math constituée d'une telle suite Modèle:Math et de son opposée est alors sommable (de somme nulle) mais la sous-famille Modèle:Math de Modèle:Math ne l'est pas.

Il faut donc ajouter l'hypothèse de sommabilité des sous-familles. Moyennant quoi, on a même une réciproque plus générale, puisqu'elle s'applique aussi bien à une partition infinie : Modèle:Énoncé

La généralisation analogue du sens direct est trivialement fausse dans ℝ mais vraie dans ℝModèle:Exp, c'est-à-dire que si chaque (uModèle:Ind)Modèle:Ind est une famille de réels positifs de somme finie SModèle:Ind et si (SModèle:Ind)Modèle:Ind est sommable alors (uModèle:Ind)Modèle:Ind l'est.

Familles sommables dans un espace de Banach

Critère de Cauchy dans les espaces de Banach

Le critère de Cauchy est en général une condition nécessaire de sommabilité, mais dans le cadre des espaces de Banach, il fournit une condition nécessaire et suffisante d'où découlent les propriétés remarquables associées à la sommabilité.

Une famille Modèle:Math satisfait le critère de Cauchy lorsque

$\mathrm{\forall }\epsilon >0\mathrm{\exists }{J}_{\epsilon }\text{ fini }\subset I\mathrm{\forall }K\text{ fini }\subset I(K\cap J_{\epsilon }=\varnothing \Rightarrow \Vert \sum _{k\in K}{u}_k\Vert <\epsilon ).$

En termes imagés, JModèle:Ind contient presque toute la somme puisqu'avec ce qui est ailleurs on ne parvient pas à dépasser ε.

Une famille est de Cauchy si et seulement si l'ensemble des indices de ses termes non nuls est au plus dénombrable et si « la » série correspondante, ainsi que toutes ses permutées, vérifie le critère de Cauchy usuel.

Par conséquent, toute famille sommable vérifie le critère de Cauchy et lorsque E est complet, la réciproque est vraie. (Ceci montre que dans un espace de Banach, toute sous-famille d'une famille sommable est sommable.)

Absolue sommabilité

La famille (uModèle:Ind)Modèle:Ind est dite absolument sommable — ou normalement sommable — si la famille de réels positifs (║uModèle:Ind║)Modèle:Ind est sommable, autrement dit si l'ensemble des indices i des uModèle:Ind non nuls est au plus dénombrable et si « la » série correspondante est absolument convergente.

On déduit le corollaire suivant du critère de Cauchy, ou simplement du corollaire analogue pour les séries : Modèle:Théorème

[[#Cas de .E2.84.9Dn|Dans ℝModèle:Exp, on a déjà vu]] que réciproquement, toute famille sommable est absolument sommable. Dans tout espace vectoriel normé de dimension infinie, cette réciproque est fausse.

Sommabilité et forme linéaire

Soient F un second espace vectoriel normé et Modèle:Math une application linéaire continue de E dans F. Pour toute famille sommable Modèle:Math de vecteurs de E, la famille Modèle:Math est sommable dans F, de somme Modèle:Retrait

À partir de cette propriété, on peut développer la notion de sommabilité faible. Une famille de vecteurs Modèle:Math est dite faiblement sommable lorsque pour toute forme linéaire continue Modèle:Math sur E, la famille de scalaires Modèle:Math est sommable. La propriété précédente entraîne que toute famille sommable est faiblement sommable. Plus précisément, le critère de Cauchy est vérifié par une famille Modèle:Math de vecteurs de E si et seulement s'il est vérifié par les familles de scalaires Modèle:Math, uniformément par rapport à Modèle:Math parcourant la boule unité du dual topologique EModèle:' de E.

Il n'existe pas toujours, pour une famille faiblement sommable, un vecteur S de E tel que les Modèle:Math soient les sommes des Modèle:Math, mais s'il en existe un alors il est unique (car [[Théorème de Hahn-Banach|EModèle:' sépare les points de E]]).

Produit dans les algèbres de Banach

Dans une algèbre de Banach, si Modèle:Math et Modèle:Math sont deux familles absolument sommables, alors la famille produit Modèle:Math est absolument sommable et l'on a :

$\left(\sum _{i\in I}{u}_i\right)\left(\sum _{j\in J}{v}_j\right)=\sum _{(i,j)\in I\times J}{u}_i{v}_j.$

Cette propriété peut se réinterpréter à l'aide des séries doubles.

Bibliographie

• Modèle:Dieudonné1
• Modèle:Rudin
• Laurent Schwartz, Méthodes mathématiques pour les sciences physiques, Paris, Hermann, 1965, Modèle:2e, chapitre 1