Suites et s´
eries de fonctions
1 - Suites de fonctions
(Eet Fsont deux K-evn de dimension finie dont la norme est ||.||,IE, et K=Rou C.)
Convergence simple : Une suite de fonctions (fn)nNde Idans Fconverge simplement vers
une fonction fde Idans Fssi xI,lim
n+fn(x) = f(x). Cela ´
equivaut `
a
xI, ε > 0,N0N,nN,[nN0⇒ ||fn(x)f(x)|| ≤ ε].
Convergence uniforme : Une suite de fonctions (fn)nNde Idans Fconverge uniform´
ement
vers une fonction fde Idans Fssi lim
n+SupxI||f(x)fn(x)|| = 0. Cela ´
equivaut `
a
ε > 0,N0N,nN,xI, [nN0⇒ ||fn(x)f(x)|| ≤ ε].
Cons´
equences :
(1) Si (fn)nNconverge uniform´
ement vers une fonction fsur I, et si nN,fnest born´
ee
sur I,alors fest born´
ee sur I.
(2) Comme Eest complet, (fn)nNconverge uniform´
ement vers une fonction fsur I
ε > 0,N0N,(p, q)N2,xI, [pN0, q N0⇒ ||fp(x)fq(x)|| ≤ ε].
(3) Si il existe une suite r´
eelle positive (εn)nN, de limite nulle, et telle que
n0N,nn0,xI, ||f(x)fn(x)|| ≤ εn,
alors (fn)nNconverge uniform´
ement vers une fonction fsur I.
Th´
eor`
eme : Toute suite de fonctions (fn)nNuniform´
ement convergente sur Iest simplement
convergente sur I.
Convergence uniforme locale : Une suite de fonctions (fn)nNde Idans Fconverge localement
uniform´
ement vers une fonction fde Idans Fssi (fn)nNconverge uniform´
ement vers fsur
toute partie compacte de I.
Th´
eor`
eme de double limite : Soit une suite de fonctions (fn)nNde Idans F, et a¯
I.Si,
nN,fnadmet une limite `nen a, et si,(fn)nNconverge uniform´
ement vers fsur I,alors
la suite (`n)nNconverge vers `Fet lim
xaf(x) = `.
Th´
eor`
eme de continuit´
e: Soit une suite de fonctions (fn)nNde Idans F.
(1) Si,nN,fnest continue en un point ade I, et si (fn)nNconverge uniform´
ement vers
fsur I,alors fest continue au point a.
(2) Si,nN,fnest continue sur I, et si (fn)nNconverge uniform´
ement vers fsur I,alors
fest continue sur I.
1
(3) Si,nN,fnest continue sur I, et si (fn)nNconverge localement uniform´
ement vers
fsur I,alors fest continue sur I.
Th´
eor`
eme d’int´
egration sur un segment : Soit une suite de fonctions (fn)nNde [a, b]R
dans F.Si,nN,fnest continue sur [a, b], et si (fn)nNconverge uniform´
ement vers fsur
[a, b],alors :
(1) fest continue sur [a, b],
(2) la suite ³Rb
afn´nN
converge dans F, et
Zb
a
f= lim
n+Zb
a
fn.
Th´
eor`
eme de d´
erivation : Soit une suite de fonctions (fn)nNde IRdans F.Si,nN,
fnest de classe C1sur I,si (fn)nNconverge simplement sur Ivers f,si (f0
n)nNconverge
uniform´
ement sur tout segment de Ivers g,alors
(1) (fn)nNconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers f,
(2) fest de classe C1sur I, et f0=g.
Th´
eor`
eme de d´
erivation (g´
en´
eralisation) : Soit une suite de fonctions (fn)nNde IRdans
F, et kN?.
Si
nN,fnest de classe Cksur I,
i∈ {0, . . . , k 1},(f(i)
n)nNconverge simplement sur Ivers ϕi,
(f(k)
n)nNconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers ϕk,
alors
(1) i∈ {0, . . . , k 1},(f(i)
n)nNconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers ϕi,
(2) ϕ0est de classe Cksur I,
(3) i∈ {1, . . . , k},ϕ(i)
0=ϕi.
Th´
eor`
eme de convergence domin´
ee : Soit une suite de fonctions (fn)nNde IRdans F.
Si
nN,fnest continue par morceaux sur I,
(fn)nNconverge simplement sur Ivers f, une fonction continue par morceaux sur I,
il existe ϕ:IR, continue par morceaux, positive et int´
egrable sur Itelle que :
nN,|fn| ≤ ϕ,
alors
(1) nN,fnest int´
egrable sur I,
(2) fest int´
egrable sur I,
(3) lim
n+ZI
fn=ZI
f.
Th´
eor`
eme de convergence sur un intervalle born´
e: Soit une suite de fonctions (fn)nNde
IRdans F.
Si
nN,fnest continue et int´
egrable sur I,
(fn)nNconverge uniform´
ement sur Ivers f,
l’intervalle Iest born´
e,
alors
Denis Gialis c
°2011 2
(1) fest continue et int´
egrable sur I,
(2) lim
n+ZI
fn=ZI
f.
Th´
eor`
eme de convergence monotone : Soit une suite croissante (resp. d´
ecroissante) de fonc-
tions (fn)nNde IRdans JR,int´
egrables sur I.Si (fn)nNconverge simplement sur I
vers fcontinue par morceaux sur I,alors
la fonction fest int´
egrable sur Issi la suite (RIfn)nNest major´
ee (resp. minor´
ee). Dans ce cas,
ZI
f= SupnNZI
fn= lim
n+ZI
fn.
2-S´
eries de fonctions
D´
efinition : On appelle s´
erie de fonctions, tout couple ((fn)nN,(Sn)nN)form´
e d’une suite de
fonctions (fn)nNde Idans F, et de la suite (Sn)nNtelle que : nN, Sn=
n
X
k=0
fk. Le terme
g´
en´
eral (t.g.) de la s´
erie est fn, et la s´
erie est not´
ee X
n0
fn.
Convergence simple : La s´
erie de fonctions de t.g. fnest simplement convergente sur Issi la
suite (Sn)nNest simplement convergente vers une fonction Ssur I. La fonction Sest alors ap-
pel´
ee somme de la s´
erie :S=
+
X
n=0
fn.
Convergence absolue : La s´
erie de fonctions de t.g. fnest absolument convergente sur Issi
xI, la s´
erieX
n0
||fn(x)|| converge dans R.
Convergence uniforme : La s´
erie de fonctions de t.g. fnest uniform´
ement convergente sur Issi
la suite (Sn)nNest uniform´
ement convergente vers une fonction Ssur I. Cela ´
equivaut `
a
lim
n+SupxI||S(x)Sn(x)|| = lim
n+SupxI||Rn(x)|| = 0,
avec Rn(x) =
+
X
k=n+1
fk(x), le reste d’ordre n.
Cons´
equences :
(1) X
n0
fnconverge uniform´
ement sur IX
n0
fnconverge simplement sur Iet la suite
(Rn)n0converge uniform´
ement vers la fonction nulle sur I.
(2) Comme Eest complet, X
n0
fnconverge uniform´
ement sur I
ε > 0,N0N,(p, q)N2,xI, [q > p N0,⇒ ||
q
X
k=p+1
fk(x)|| ≤ ε].
(3) Si X
n0
fnconverge uniform´
ement sur I,alors la suite (fn)nNconverge uniform´
ement
vers la fonction nulle sur I.
Convergence locale uniforme : La s´
erie de fonctions de t.g. fnest localement uniform´
ement
convergente sur Issi la suite (Sn)nNest uniform´
ement convergente vers une fonction Ssur
Denis Gialis c
°2011 3
toute partie compacte de I.
Convergence normale : La s´
erie de fonctions de t.g. fnest normalement convergente sur Issi la
s´
erie X
n0
SupxI||fn(x)|| converge dans R.
Th´
eor`
eme : Toute s´
erie X
n0
fnnormalement convergente sur Iest simplement convergente, ab-
solument convergente et uniform´
ement convergente sur I.
Th´
eor`
eme de double limite : Soit une s´
erie de fonctions X
n0
fnde Idans F, et a¯
I.Si,
nN,fnadmet une limite `nen a, et si X
n0
fnconverge uniform´
ement vers la fonction Ssur
I,alors, la s´
erie X
n0
`nconverge dans F, et lim
xaS(x) =
+
X
n=0
`n.
Th´
eor`
eme de continuit´
e: Soit une s´
erie de fonctions X
n0
fnde Idans F, et aI.
(1) Si,nN,fnest continue en un point ade I, et si X
n0
fnconverge uniform´
ement vers
la fonction Ssur I,alors Sest continue au point a.
(2) Si,nN,fnest continue sur I, et si X
n0
fnconverge uniform´
ement vers la fonction S
sur I,alors Sest continue sur I.
(3) Si,nN,fnest continue sur I, et si X
n0
fnconverge localement uniform´
ement vers la
fonction Ssur I,alors Sest continue sur I.
Th´
eor`
eme d’int´
egration sur un segment : Soit une s´
erie de fonctions X
n0
fnde [a, b]Rdans
F.Si,nN,fnest continue sur [a, b], et si X
n0
fnconverge uniform´
ement vers la fonction S
sur [a, b],alors :
(1) la fonction Sest continue sur [a, b],
(2) la s´
erie X
n0ÃZb
a
fn!nN
converge dans F, et
Zb
a
S=
+
X
n=0 Zb
a
fn.
Cons´
equences :
Si,nN,fnest continue sur [a, b], et si X
n0
fnconverge normalement vers la fonction S
sur [a, b],alors :
(1) X
n0
||fn||1converge dans R,
(2) la fonction Sest continue sur [a, b], et ||S||1
+
X
n=0
||fn||1,
avec, par d´
efinition, f∈ C([a, b], F ),||f||1=Zb
a
||f||.
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°2011 4
Th´
eor`
eme de d´
erivation : Soit une s´
erie de fonctions X
n0
fnde IRdans F.Si,nN,fnest
de classe C1sur I,si X
n0
fnconverge simplement sur Ivers S,si X
n0
f0
nconverge uniform´
ement
sur tout segment de Ivers g,alors
(1) X
n0
fnconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers f,
(2) la fonction Sest de classe C1sur I, et S0=g.
Th´
eor`
eme de d´
erivation (g´
en´
eralisation) : Soit une s´
erie de fonctions X
n0
fnde IRdans F,
et kN?.
Si
nN,fnest de classe Cksur I,
i∈ {0, . . . , k 1},X
n0
f(i)
nconverge simplement sur Ivers Φi,
X
n0
f(k)
nconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers Φk,
alors
(1) i∈ {0, . . . , k 1},X
n0
f(i)
nconverge uniform´
ement sur tout segment de Ivers Φi,
(2) Φ0est de classe Cksur I,
(3) i∈ {1, . . . , k},Φ(i)
0= Φi.
Th´
eor`
emes de d’int´
egration terme `
a terme :
(1) Soit une suite de fonctions (fn)nNde IRdans JR,positives et int´
egrables sur I.
Si la s´
erie X
n0
fnconverge simplement vers une fonction Scontinue par morceaux sur I,alors
la fonction Sest int´
egrable sur Issi la s´
erie X
n0ZI
fnconverge. Dans ce cas,
ZI
f=
+
X
n=0 ZI
fn.
(2) Soit une suite de fonctions (fn)nNde IRdans JC,int´
egrables sur I.Si la
s´
erie X
n0
fnconverge simplement vers une fonction Scontinue par morceaux sur I, et si la s´
erie
X
n0ZI
|fn|converge, alors la fonction Sest int´
egrable sur I, et
ZI
f=
+
X
n=0 ZI
fn.
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