Convergence simple et convergence uniforme 367
Pour montrer qu’une suite de fonctions convergence uniformément, on peut procéder comme
suit :
–étudier la suite numérique (fn(x))n∈Npour prouver une éventuelle convergence simple vers
une fonction f;
–étudier les variations sur l’intervalle Ide chaque fonction fn−fen vue de déterminer
sa borne inférieure et sa borne supérieure, ce qui permet d’obtenir sup
x∈I|fn(x)−f(x)|,
cette étude est facilitée si les fonctions en questions sont dérivables, dans la mesure où les
racines de f0
n−f0se calculent facilement ;
–ou alors essayer de déterminer une suite de réels positifs (εn)n∈Nde limite nulle telle que
|fn(x)−f(x)| ≤ εnpour nassez grand et tout x∈I, ce qui entraînera sup
x∈I|fn(x)−f(x)| ≤
εnpour nassez grand. En pratique, il vaut mieux opter pour ce type de méthode de travail.
Exercice 16.1 Montrer que si (fn)n∈Nest une suite de fonctions uniformément convergente
vers une fonction fsur un intervalle I, alors la suite de fonctions (sin (fn))n∈Nconverge uni-
formément vers sin (f)sur I.
Solution 16.1 Résulte de :
|sin (fn(x)) −sin (f(x))| ≤ |fn(x)−f(x)| ≤ sup
x∈I|fn(x)−f(x)|.
Le résultat qui suit nous donne un critère permettant de prouver la non convergence uni-
forme.
Théorème 16.2 Si (fn)n∈Nest suite de fonctions qui converge uniformément vers une fonction
fsur I, alors pour toute suite (xn)n∈Nde points de I, la suite (fn(xn)−f(xn))n∈Nconverge
vers 0.
Démonstration. Résulte des inégalités :
|fn(xn)−f(xn)| ≤ sup
x∈I|fn(x)−f(x)|
valables pour tout n.
Pour montrer la non convergence uniforme, il suffit donc de trouver une suite (xn)n∈Nde
points de Itelle que la suite (fn(xn)−f(xn))n∈Nne converge pas vers 0(en supposant bien
sur que la convergence simple vers fa été prouvée).
Si la suite (xn)n∈Nconverge vers x, avec :
|fn(xn)−f(x)| ≤ |fn(xn)−f(xn)|+|f(xn)−f(x)|
on aura lim
n→+∞fn(xn) = f(x)si la convergence est uniforme avec fcontinue.
Exercice 16.2 On définit la suite de fonctions (fn)n∈N∗sur Rpar :
∀n∈N∗,∀x∈R, fn(x) = nsin ³x
n´.
1. La suite (fn)n∈N∗converge-t-elle simplement sur R,et si oui, vers quelle fonction ?
2. La convergence de la suite (fn)n∈N∗est-t-elle uniforme sur R?
3. La convergence de la suite (fn)n∈N∗est-t-elle uniforme sur [−1,1] ?