Théorème du point fixe de Caristi

Le théorème du point fixe de Caristi — ou de Caristi– — est un théorème de topologie générale qui étend le théorème du point fixe de Banach-Picard, en garantissant l'existence de points fixes pour une plus large classe d'applications d'un espace métrique complet dans lui-même. Il est équivalent à une forme faible du principe variationnel d'Ekeland. Soient (X, d) un espace métrique complet non vide et T une application de X dans X (non nécessairement continue). Pour que T admette un point fixe, il suffit qu'il existe une application semi-continue inférieurement f : X → [0, +∞[ telle que pour tout point x de X, d(x, T(x)) ≤ f(x) – f(T(x)). Pour qu'une multifonction Γ de X dans X, à valeurs non vides, admette un point fixe — c'est-à-dire un point x appartenant à Γ(x) — il suffit qu'il existe une application semi-continue inférieurement , non constamment égale à +∞, telle que pour tout couple (x, y) du graphe de Γ, f(y) ≤ f(x) – d(x, y). Montrons l'équivalence entre les deux énoncés ci-dessus et la forme faible suivante du principe d'Ekeland : pour tout espace complet X et toute application semi-continue inférieurement f : X → [0, +∞] non constamment égale à +∞, il existe un point x de X tel que f(x) ≤ 1 + inf() et tel que, pour tout point y de X distinct de x, f(y) > f(x) – d(x, y). Preuve du théorème de Caristi pour les multifonctions, à partir du principe faible d'Ekeland : soient Γ et f comme dans la généralisation ci-dessus, et x un point de X fourni par le principe faible. Alors Γ(x) ne contient aucun point distinct de x. Puisqu'il est non vide, il contient x, qui est donc fixe. Preuve par l'absurde (et à l'aide de l'axiome du choix) du principe faible d'Ekeland, à partir du théorème de Caristi pour les fonctions : si ce principe n'était pas vérifié, il existerait un espace complet X et une application f : X → [0, +∞], semi-continue inférieurement et non constamment égale à +∞, tels que pour tout x de X vérifiant f(x) ≤ 1 + inf(f(X)), il existe y ≠ x vérifiant f(y) ≤ f(x) – d(x, y).