1
Existence d’une fonction dérivée à points de discontinuité dense
[Gour]
Théorème 1. Soit (fn)nNune suite de fonctions dérivables de I= [0,1] dans un espace de
Banach E. On suppose que :
• ∃x0I, (fn(x0))nNconverge.
(f0
n)nNconverge uniformément vers gsur I.
Alors, (fn)nNconverge uniformément sur Ivers une fonction fdérivable et f0=g.
Démonstration. :
Etape 1 : pour montrer que (fn)nNconverge uniformément vers une certaine fonction que
l’on notera f, il nous suffit de montrer que (fn)nNest 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(fpfq)(x)(fpfq)(x0)k
| {z }
(1)
+k(fpfq)(x0)k
| {z }
(2)
.
Traitons (1) pour commencer. Comme (f0
n)nNconverge uniformément vers g, alors (f0
n)nN
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(fpfq)(x)(fpfq)(x0)k ≤ sup
y[x,x0]
kf0
p(y)f0
q(y)k|xx0| ≤ ε|xx0| ≤ ε.
Passons à l’étude de (2). Comme (fn(x0))nNconverge, elle est également de Cauchy dans Ret
àεfixé, il existe N2tel que :
p, q N2,kfp(x0)fq(x0)k ≤ ε.
Pour Nmax(N1, N2)et p, q N, on a pour tout x[0,1],kfp(x)fq(x)k ≤ 2εet (fn)nN
est bien de Cauchy dans C([0,1],k.k).
Etape 2 : On va montrer que fest dérivable et que f0=g. Fixons t6=xI. On a pour NN
choisi comme à l’étape 1:
kf(t)f(x)
txg(x)k≤k(ffN)(t)(ffN)(x)
txk
| {z }
(a)
+kfN(t)fN(x)
txg(x)k
| {z }
(b)
où on peut encore décomposer (b)sous la forme (b)≤ k fN(t)fN(x)
txf0
N(x)k+kf0
N(x)g(x)k.
Pour pN, 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 :
tI, 0<|tx| ≤ α, kfN(t)fN(x)
txf0
N(x)k ≤ ε=(b)2ε.
Intéressons nous maintenant à (a). On a par l’inégalité des accroissements finis
k(fN+pfN)(t)(fN+pfN)(x)k ≤ sup
y[t,x]
kf0
N+p(y)f0
N(y)k|tx| ≤ ε|tx|
soit en faisant tendre pvers +, en utilisant ()
k(ffN)(t)(ffN)(x)k ≤ ε|tx|=(a)ε
Conclusion : tI, 0<|tx|< α,kf(t)f(x)
txg(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.
2
Démonstration. Introduisons la fonction φ: [1,1] Rdéfinie par :
φ(x) =
x2sin 1
xsi x6= 0
0sinon
qui est clairement dérivable sur [1,0[]0,1]
Etape 1 : montrons que φest dérivable en 0et que φ0est seulement discontinue en 0. Pour
x[1,1] \ {0}, on a :
|sin 1
x| ≤ 1 =⇒ −x2φ(x)x2(inégalité encore vraie en 0).
ainsi pour x6= 0, on a alors naturellement -|x| ≤ φ(x)φ(0)
x0| ≤ |x|et donc φest dérivable en 0
avec φ0(0) = 0. Pour x6= 0 dans [1,1], on a φ0(x) = 2xsin 1
xcos 1
x. Or, x7−cos 1
x
n’admettant pas de limite en 0(raisonner avec des suites), φ0est continue sur [1,0[]0,1] et
discontinue en 0.
Etape 2 : Q[0,1] est dénombrable et dense dans [0,1], par dénombrabilité de Q[0,1], il
existe une bijection rde Ndans Q[0,1] où l’on note rn=r(n)et on définit aussi une suite
de fonction (fn)nNpar :
fn:
[0,1] R
x7−1
n2φ(xrn)
Objectif 1. montrer que la série P
n
f0
nest uniformément convergente et qu’il existe x0[0,1]
tel que P
n
fn(x0)converge pour pouvoir appliquer les résultats du théorème précédent.
Comme φest dérivable sur [1,1],fnl’est également pour tout navec f0
n(x) = 1
n2φ0(xrn).
Alors, comme φ0est bornée sur [1,1] :
M > 0,|φ0(xrn)| ≤ M=⇒ |f0
n(x)| ≤ M
n2pour tout x[0,1].
On en déduit la convergence normale de P
n
f0
net en particulier sa convergence uniforme. Comme
φest aussi bornée, on montre de même la convergence de P
n
fn(x)pour tout x, donc en au moins
un point x0[0,1]. En appliquant le théorème 1, à la suite correspondant aux sommes partielles
de la série P
n
fn, on en déduit que P
n
fnconverge uniformément vers une fonction f=
P
n=0
fnet
que f0=
P
n=0
f0
n.
Etape 3 : montrons que frépond au problème. Comme φ0n’est discontinue qu’en 0, on remarque
immédiatement que f0
nn’est discontinue qu’en rn[0,1] Qet donc pour tout x[0,1] \Q,f0
n
est continue et par convergence normale de P
n
f0
n,f0l’est aussi sur [0,1] \Q.
Objectif 2. Montrons que pour x[0,1] Q,f0est discontinue.
Soit x[0,1] Q, par bijectivité de l’application r, il existe un unique NNtel que x=rN
et pour tout n6=N, on a rn6=xet f0
nest continue en x=rN. Alors, P
n
f0
nconvergeant
normalement vers f0, on a de même P
n6=N
f0
nconverge normalement vers f0f0
Net pour n6=N,
les f0
nétant continues en rN, la convergence normale de la série des dérivées assure :
f0f0
N=P
n6=N
f0
nest continue en x=rN.
Conclusion : comme f0
Nest discontinue en x=rN, nécessairement f0l’est aussi. Ainsi, f0est
discontinue sur [0,1] Qqui est dense de [0,1].
[Gour]
Remarque 1. En application du théorème de Baire, on montre aussi que l’ensemble des points
de continuité d’une fonction dérivée est une partie dense.
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