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Existence d’une fonction dérivée à points de discontinuité dense
[Gour]
Théorème 1. Soit (fn)n∈Nune suite de fonctions dérivables de I= [0,1] dans un espace de
Banach E. On suppose que :
• ∃x0∈I, (fn(x0))n∈Nconverge.
•(f0
n)n∈Nconverge uniformément vers gsur I.
Alors, (fn)n∈Nconverge uniformément sur Ivers une fonction fdérivable et f0=g.
Démonstration. :
Etape 1 : pour montrer que (fn)n∈Nconverge uniformément vers une certaine fonction que
l’on notera f, il nous suffit de montrer que (fn)n∈Nest de Cauchy dans l’espace de Banach
C([0,1],k.k∞),i.e qu’elle vérifie le critère dit de Cauchy uniforme.
Fixons ε > 0. Pour p, q ∈N, on a pour tout x∈[0,1] :
kfp(x)−fq(x)k ≤ k(fp−fq)(x)−(fp−fq)(x0)k
| {z }
(1)
+k(fp−fq)(x0)k
| {z }
(2)
.
Traitons (1) pour commencer. Comme (f0
n)n∈Nconverge uniformément vers g, alors (f0
n)n∈N
vérifie le critère de Cauchy uniforme et donc :
∃N1,∀p, q ≥N1,∀x∈[0,1],kf0
p(x)−f0
q(x)k ≤ ε
Par le théorème des accroissements finis entre [x, x0]⊂[0,1], on a pour p, q ≥N1:
k(fp−fq)(x)−(fp−fq)(x0)k ≤ sup
y∈[x,x0]
kf0
p(y)−f0
q(y)k|x−x0| ≤ ε|x−x0| ≤ ε.
Passons à l’étude de (2). Comme (fn(x0))n∈Nconverge, elle est également de Cauchy dans Ret
àεfixé, il existe N2tel que :
∀p, q ≥N2,kfp(x0)−fq(x0)k ≤ ε.
Pour N≥max(N1, N2)et p, q ≥N, on a pour tout x∈[0,1],kfp(x)−fq(x)k ≤ 2εet (fn)n∈N
est bien de Cauchy dans C([0,1],k.k∞).
Etape 2 : On va montrer que fest dérivable et que f0=g. Fixons t6=x∈I. On a pour N∈N
choisi comme à l’étape 1:
kf(t)−f(x)
t−x−g(x)k≤k(f−fN)(t)−(f−fN)(x)
t−xk
| {z }
(a)
+kfN(t)−fN(x)
t−x−g(x)k
| {z }
(b)
où on peut encore décomposer (b)sous la forme (b)≤ k fN(t)−fN(x)
t−x−f0
N(x)k+kf0
N(x)−g(x)k.
Pour p∈N, d’après l’étape 1, on a pour tout x∈[0,1] :
kf0
N(x)−f0
N+p(x)k ≤ ε(∗)
et en faisant tendre pvers l’infini on a : kf0
N(x)−g(x)k ≤ ε. Par définition de f0
N(x), pour ε > 0
fixé, il existe α > 0tel que :
∀t∈I, 0<|t−x| ≤ α, kfN(t)−fN(x)
t−x−f0
N(x)k ≤ ε=⇒(b)≤2ε.
Intéressons nous maintenant à (a). On a par l’inégalité des accroissements finis
k(fN+p−fN)(t)−(fN+p−fN)(x)k ≤ sup
y∈[t,x]
kf0
N+p(y)−f0
N(y)k|t−x| ≤ ε|t−x|
soit en faisant tendre pvers +∞, en utilisant (∗)
k(f−fN)(t)−(f−fN)(x)k ≤ ε|t−x|=⇒(a)≤ε
Conclusion : ∀t∈I, 0<|t−x|< α,kf(t)−f(x)
t−x−g(x)k ≤ 3ε, soit f0(x) = g(x).
[Gour] Application 1. Il existe une fonction dérivable sur [0,1] à valeurs dans R, telle que sa dérivée
soit discontinue sur un ensemble dense.