Th´eor`eme 3 Soit (fn)n∈Nune suite de fonctions de classe C1sur un intervalle Itelle que :
- il existe un point a∈Itel que la suite (fn(a))n∈Nest convergente,
- la suite des d´eriv´ees (f0
n)n∈Nconverge uniform´ement sur Ivers une fonction g:I→C.
Alors la suite (fn)n∈Nconverge simplement vers une fonction f:I→Cde classe C1et on
a : f0=g. De plus, la convergence de (fn)n∈Nvers fest uniforme sur tout segment J⊂I.
Remarque 3 Ici aussi, comme la d´erivabilit´e est une propri´et´e locale, il suffit que la suite
(f0
n)n∈Nconverge vers guniform´ement sur tout segment J⊂I.
On obtient par r´ecurrence la g´en´eralisation suivante de ce th´eor`eme aux fonctions de classe
Ckpour k>1 .
Th´eor`eme 4 Soit (fn)n∈Nune suite de fonctions de classe Cksur un intervalle Itelle que :
- pour tout entier `6k−1il existe a`∈Itel que la suite (f(`)
n(a`))n∈Nest convergente,
- la suite f(k)
nn∈Nconverge uniform´ement sur tout segment J⊂I.
Alors la suite (fn)n∈Nconverge simplement vers une fonction f:I→Cde classe Ck. De
plus, pour tout entier `6kla suite f(`)
nn∈Nconverge uniform´ement sur tout segment J⊂I
vers la fonction f(`).
Exercice 1 ´
Etudier la convergence simple et la convergence uniforme de la suite de fonctions
d´efinie par : fn(x) = xnpour tout x∈[0 ,1] et tout n∈N.
2 Approximation des fonctions continues sur un segment
Soit I⊂Run segment et soit f:I→Cune fonction continue. Le th´eor`eme de Heine
permet facilement de d´emontrer qu’on peut approcher uniform´ement fpar des fonctions
en escalier ou par des fonctions continues et affines par morceaux, ce qui est utile dans
de nombreuses d´emonstrations ayant fait l’objet de probl`emes de CAPES. Le th´eor`eme de
Weierstrass, qui figure au programme du CAPES, est nettement plus difficile `a d´emontrer, et
a fait l’objet de la premi`ere composition du CAPES 2003.
Proposition 1 Il existe une suite de fonctions en escalier qui converge uniform´ement vers
fsur I.
Proposition 2 Il existe une suite de fonctions continues et affines par morceaux qui converge
uniform´ement vers fsur I.
Th´eor`eme 5 Th´eor`eme de Weierstrass. Il existe une suite de fonctions polynomiales qui
converge uniform´ement vers fsur I.
3 S´eries de fonctions
Soit I⊂Run intervalle et soit (un)n∈Nune suite de fonctions de Idans C. Pour tout
n∈Net tout x∈I, on pose :
Sn(x) =
n
X
k=0
uk(x).
D´efinition 2 La s´erie de fonctions Punconverge simplement sur Isi la suite de fonctions
(Sn)n∈Nest simplement convergente. Dans ce cas, les fonctions d´efinies pour tout x∈Ipar :
S(x) =
+∞
X
n=0
uk(x)et Rn(x) =
+∞
X
k=n+1
uk(x)pour tout n∈N
sont appel´ees la fonction somme et le reste d’ordre nde la s´erie Pun,ona:Rn=S−Sn
pour tout n∈Net la suite (Rn)n∈Nconverge simplement sur Ivers la fonction nulle.
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