Devoir Libre no2Mathématiques, MP 933 &934
Transformation de Toeplitz
Soit (cn,k)n,k∈Nune suite, à double indices, de réels ou de complexes, appelée matrice de Toeplitz.
Si (un)n>0est une suite réelle ou complexe, on définit la transformée de Toeplitz de (un)n>0, qu’on notera
Tu= (Tun)n∈N, par
Tun=
∞
X
k=0
cn,k uk.
Remarque 1 Ainsi, à chaque (cn,k )n,k∈Non associe une transformation de Toeplitz particulière. Par exemple, en définissant
cn,k =
1
n+ 1 si k6n,
0sinon,
la transformation de Toeplitz associée est l’application qui, à une suite (un)n>0, associe la suite de ses moyennes de Cesàro.
On dit qu’une transformée de Toeplitz est régulière si, pour tout ℓ∈Cet pour toute suite (un)n>0convergente et
de limite ℓ, la suite (Tun)n∈Nest bien définie, convergente et de limite ℓ.
Enfin, on dira que Tvérifie (TR) si et seulement si elle vérifie les trois conditions suivantes :
❶il existe une constante réelle A>0telle que, pour tout entier n, la série P
k
cn,k converge absolument et
Cn
déf.
=
∞
P
k=0
cn,k
6A.
❷pour tout k∈N, la suite (cn,k)n∈Nconverge et lim
n→∞ cn,k = 0.
❸lim
n→∞
∞
P
k=0
cn,k = 1.
Le but de ce problème est de montrer que Test régulière si et seulement si elle vérifie (TR).
1. Nous allons d’abord montrer que, si Tvérifie (TR), alors elle est régulière. On suppose donc dans toute cette question
que Tvérifie (TR).
a) Montrer que, pour toute suite (un)n>0convergente, Tuest bien définie, c’est-à-dire que Tunexiste pour toute
valeur de n.
b) Montrer que si la suite (un)n>0est constante, de valeur ℓ, alors lim
n→∞ Tun=ℓ.
c) Montrer que, si lim
n→∞ un= 0, alors lim
n→∞ Tun= 0.
Indication : On découpera, à la Cesàro, la somme définissant Tunen deux :
Tun=
K
P
k=0
cn,k uk+
∞
P
k=K+1
cn,k uk,
où l’entier Ksera judicieusement choisi.
d) Conclure.
2. On suppose dans cette question que Test régulière.
a) Montrer que la propriété ❸est vérifiée.
b) Montrer que la propriété ❷est vérifiée.
c) Avant de montrer la propriété ❶, on va d’abord vérifier que la suite (Cn)n>0, définie par
Cn=
∞
P
k=0
cn,k
,
est correctement définie, c’est-à-dire que la série définissant Cnest convergente pour tout n∈N. On procède par
l’absurde en supposant qu’il existe un entier n0tel que la série P
k
cn0,k
est divergente.
c–i) On pose, pour tout K∈N:wK= 1 +
K−1
P
k=0
cn0,k
et vK=1
wK
.
Que peut-on dire de la suite (wk)k>0?
c–ii) Montrer que, si 1< x < y, alors y−x
x>ln y−ln x.
Transformation de Toeplitz DM02.tex