Suites de fonctions - Divers modes de convergence - Exemples
Dans ce chapitre, E d´esigne un Kespace vectoriel (K=Rou C) de dimension finie, muni d’une
norme k.k, X d´esigne un ensemble non vide.
1 Divers modes de convergence
1.1 Convergence simple
D´efinition 1 Soient (fn)nNune suite d’applications de X dans E et f une application de X dans
E. On dit que (fn)nNconverge simplement vers f sur X si pour tout x dans X, (fn(x))nNconverge
vers f(x) dans E. Autrement dit :
xX, ε > 0,n0N,nN, n >n0⇒ kfn(x)f(x)k< ε.
1.2 Convergence uniforme
D´efinition 2 Soient (fn)nNune suite d’applications de X dans E et f une application de X dans
E. On dit que (fn)nNconverge uniform´ement vers f sur X si :
ε > 0,n0N,nN,xX, n >n0⇒ kfn(x)f(x)k< ε.
Cons´equence : (fn)nNconverge uniform´ement vers fsi et seulement si kfnfk
n+0 (on
rappelle que kfnfk= sup
xXkfn(x)f(x)k).
1.3 Convergence en moyenne
D´efinition 3 Notons C([a, b],K)l’ensemble des fonctions continues sur [a, b](a, b R, a < b) `a
valeurs dans K. On rappelle qu’on d´efinit une norme k.k1par :
kfk1=Zb
a|f(x)|dx.
Soient (fn)nNune suite d’applications de C([a, b],K)et f une application de C([a, b],K). on dit que
(fn)nNconverge en moyenne vers f si kfnfk1
n+0, c’est-`a-dire si :
Zb
a|fn(x)f(x)|dx
n+0.
1
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1.4 Convergence en moyenne quadratique
D´efinition 4 En gardant les notations de la d´efinition 3, on rappelle qu’on d´efinit une norme k.k2
par :
kfk2=Zb
a|f(x)|2dx1/2
.
On dit que (fn)nNconverge en moyenne quadratique vers f si kfnfk2
n+0, c’est-`a-dire si :
Zb
a|fn(x)f(x)|2dx1/2
n+0.
2 Comparaison des divers modes de convergence
2.1 Comparaison
Proposition 1 Soit f∈ C([a, b],K). Alors :
kfk16bakfk2,kfk26bakfk,kfk16(ba)kfk
o`u kfk= sup
x[a,b]|fx)|2.
Preuve - Par d´efinition de la norme k.k2, on a :
kfk2
1=Zb
a|f(x)|dx2
=Zb
a|(1 ×f)(x)|dx2
.
En appliquant l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz, on obtient :
kfk2
16Zb
a
12dxZb
a|f(x)|2dx.
Par cons´equent, on a :
kfk2
16(ba)kfk2
2.
Donc :
kfk16bakfk2.
Sachant que pour tout x[a, b], |f(x)|6kfk, on a :
kfk2
2=Zb
a|f(x)|2dx 6Zb
akfkdx.
On en d´eduit :
kfk2
26(ba)kfk2
puis :
kfk26bakfk.
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De mˆeme :
kfk1=Zb
a|f(x)|dx 6Zb
akfkdx.
Par cons´equent :
kfk16(ba)kfk.
2
Cons´equences : Soient (fn)nNune suite de C([a, b]; K) et f∈ C([a, b]; R). Si (fn)nNconverge
uniform´ement vers fsur [a, b], alors (fn)nNconverge en moyenne quadratique vers f. Si (fn)nN
converge en moyenne quadratique sur [a, b], alors (fn)nNconverge en moyenne vers f.
Ces propri´et´es d´ecoulent de la proposition pr´ec´edente car :
kfnfk
n+0kfnfk2
n+0kfnfk1
n+0.
Proposition 2 Soient (fn)nNune suite d’applications de X dans E et f une application de X dans
E. Si (fn)nNconverge uniform´ement vers f, alors (fn)nNconverge simplement vers f.
Preuve - d´ecoule des d´efinitions 1 et 2. 2
2.2 Exemple
Soit (fn)nNla suite de fonctions d´efinie sur Rpar fn(x) = nx
1+n2x2.
fest impaire.
Si x= 0, fn(x) = 0 donc fn(0)
n→∞ 0.
Si x6= 0, fn(x)
n+
1
nx donc fn(x)
n+0.
Donc (fn)nNest une suite de fonctions convergeant simplement vers la fonction nulle sur R.
Pour tout nN,fnest erivable sur Ret on a :
xR, f
n(x) = n(1 n2x2)
(1 + n2x2)2
f
n(x)>0x1
n;1
n
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fnest donc croissante sur 1
n;1
n, d´ecroissante sur −∞;1
net sur 1
n; +.
fn1
n=1
2et fn1
n=1
2. On en d´eduit le tableau de variations :
x−∞ −1
n
1
n+
01
2
fnց ր ց
1
20
sup
xR|fn(x)|=1
2donc (fn)nNne converge pas uniform´ement sur Rvers la fonction nulle.
Soit a>0. Il existe n0Ntel que pour tout entier n>n0,1
n< a.
Pour n>n0et xRtel que |x|> a, on a donc (d’apr`es le tableau de variations) :
sup
|x|>a |fn(x)|=|fn(a)|=na
1 + n2a2.
Comme na
1+n2a2
n+
1
na , on en d´eduit : sup
|x|>a |fn(x)| −
n+0. Par cons´equent, (fn)nNconverge
uniform´ement vers la fonction nulle sur tout ] − ∞;a][a; +[, avec a > 0.
3 Applications
3.1 Approximation par des fonctions en escalier
Th´eor`eme 1 Soient a, b R, a < b. Soit f une fonction d´efinie sur [a, b]`a valeurs dans E, continue
par morceaux. Il existe une suite (fn)nNd’applications en escalier d´efinies sur [a, b]`a valeurs dans
E, convergeant uniform´ement vers f sur [a, b].
Preuve - Ineressons-nous dans un premier temps au cas o`u f est continue sur [a, b]. Soit nN.
fest continue sur le segment [a, b] donc fest uniform´ement continue sur [a, b] (th´eor`eme de Heine)
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donc :
η > 0,x, x[a, b],|xx|< η
f(x)f(x)
<1
n
Il existe NNtel que ba
n< η. On d´efinit une suite d’applications en escalier sur la subdivision
r´eguli`ere a+kba
N;a+ (k+ 1)ba
Nk∈{0,··· ,N1}par :
(k∈ {0,···, N 1},xa+kba
N;a+ (k+ 1)ba
N, fn(x) = fa+kba
n
fn(b) = f(b)
Il reste `a d´emontrer que (fn)nNconverge uniform´ement vers fsur [a, b]. Soit x[a, b[. Il existe
k∈ {0,···, N 1}tel que xa+kba
n;a+ (k+ 1)ba
n. Alors :
|fn(x)f(x)|=
fa+kba
nf(x)
<1
ncar
a+kba
nx
< η
Comme |fn(b)f(b)|= 0 <1
n, on a :
x[a, b],|fn(x)f(x)|<1
n
Donc kfnfk<1
n, donc kfnfk
n+0 donc (fn)nNconverge uniform´ement vers fsur
[a, b].
Supposons maintenant que fsoit continue par morceaux. Il existe pN, (a0,···, ap)Rn+1
tels que :
a=a0< ... < ap=b
i∈ {0,···, p 1}, f|]ai,ai+1[est prolongeable en une fonction ficontinue sur [ai, ai+1]
D’apr`es la premi`ere partie de la d´emonstration, pour tout i∈ {0,···, p 1}, il existe une suite
(fi,n)nNd’applications en escalier convergeant uniform´ement sur [ai, ai+1] vers fi. On d´efinit alors
une suite (fn)nNd’applications en escalier par :
(i∈ {0,···, p 1},x]ai, ai+1[, fn(x) = fi,n(x)
i∈ {0,···, p}, fn(ai) = f(ai)
On a alors, pour tout entier n:
kffnk6max
06i6p1kfifi,nk
Comme pour tout i∈ {0,···, p 1},kfifi,nk
n+0, on en d´eduit :
kffnk
n+0
(fn)nNconverge donc uniform´ement vers fsur [a, b]. 2
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