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On désigne par TnT_n le nn-ième polynôme de Chebyshev de première espèce, défini par la relation :

θR,Tn(cosθ)=cos(nθ)\forall \theta \in \mathbb{R},   T_n(\cos \theta) = \cos(n\theta)
On note a1,,ana_1, \dots, a_n les racines de TnT_n dans ]1,1[]-1, 1[ et L1,,LnL_1, \dots, L_n les polynômes de base de Lagrange associés à ces points. Soit f:[1,1]Rf : [-1, 1] \to \mathbb{R} une fonction continue.

  1. Expliciter les racines aja_j pour j{1,,n}j \in \{1, \dots, n\} ainsi que le polynôme Π(X)=k=1n(Xak)\Pi(X) = \prod_{k=1}^n (X-a_k). Démontrer l'égalité suivante :
    2Lj(aj)=Tn(aj)Tn(aj)2 L_j'(a_j) = \frac{T_n''(a_j)}{T_n'(a_j)}

  2. Montrer qu'il existe un unique polynôme Qf,nR2n1[X]Q_{f, n} \in \mathbb{R}_{2n-1}[X] tel que :
    j{1,,n},Qf,n(aj)=f(aj)etQf,n(aj)=0\forall j \in \{1, \dots, n\},   Q_{f,n}(a_j) = f(a_j)   \text{et}   Q_{f,n}'(a_j) = 0

  3. Justifier que ce polynôme s'écrit sous la forme Qf,n(X)=k=1nf(ak)hk(X)Q_{f, n}(X) = \sum_{k=1}^{n} f(a_k) h_k(X), où l'on explicitera les polynômes hkh_k en fonction de LkL_k et de ses dérivées en aka_k.

  4. On suppose ff continue sur [1,1][-1, 1]. On note ω(δ)=sup{f(x)f(y), xyδ}\omega(\delta) = \sup \{ |f(x)-f(y)|, \ |x-y| \le \delta \} son module de continuité uniforme. Établir que pour tout δ>0\delta > 0 :
    fQf,nω(δ)+4fnδ2\|f - Q_{f, n}\|_{\infty} \leq \omega(\delta) + \frac{4\|f\|_{\infty}}{n \delta^{2}}

  5. En déduire que la suite (Qf,n)nN(Q_{f, n})_{n \in \mathbb{N}^*} converge uniformément vers ff sur [1,1][-1, 1].

1.

Pour les racines, résoudre cos(nθ)=0\cos(n\theta) = 0. Pour la dérivée de LjL_j, utiliser un développement limité de TnT_n au voisinage de aja_j.

2.

Utiliser l'injectivité de l'application linéaire de P(P(aj),P(aj))P \mapsto (P(a_j), P'(a_j)) entre des espaces de même dimension finie.

3.

Chercher hkh_k sous la forme Ak(X)Lk(X)2A_k(X)L_k(X)^2 avec AkA_k de degré 1.

4.

Utiliser la positivité des hkh_k et la propriété hk=1\sum h_k = 1. Découper la somme définissant Qf,nQ_{f,n} selon que xak<δ|x-a_k| < \delta ou non.

Idées clés

Interpolation de Hermite (points et dérivées fixés).

Propriétés des polynômes de Chebyshev (racines, équation différentielle).

Partition de l'unité par les polynômes de Fejér-Hermite (hk0h_k \ge 0 et hk=1\sum h_k = 1).

Argument de continuité uniforme (Heine).

Résolution.

  1. Tn(cosθ)=0    nθπ2(modπ)T_n(\cos \theta) = 0 \iff n\theta \equiv \frac{\pi}{2} \pmod \pi. Les racines de TnT_n dans ]1,1[]-1, 1[ sont les :
    aj=cos(2j12nπ)pour j{1,,n}\boxed{ a_j = \cos\left( \frac{2j-1}{2n} \pi \right)   \text{pour } j \in \{1, \dots, n\} }
    Le coefficient dominant de TnT_n est 2n12^{n-1} pour n1n \ge 1, donc :
    Π(X)=12n1Tn(X)\boxed{ \Pi(X) = \frac{1}{2^{n-1}} T_n(X) }
    Par définition, Lj(X)=Tn(X)(Xaj)Tn(aj)L_j(X) = \frac{T_n(X)}{(X-a_j)T_n'(a_j)}. Effectuons un développement limité de TnT_n en aja_j :
    Tn(X)=(Xaj)Tn(aj)+(Xaj)22Tn(aj)+o((Xaj)2)T_n(X) = (X-a_j)T_n'(a_j) + \frac{(X-a_j)^2}{2}T_n''(a_j) + o((X-a_j)^2)
    En divisant par (Xaj)Tn(aj)(X-a_j)T_n'(a_j), on obtient :
    Lj(X)=1+Xaj2Tn(aj)Tn(aj)+o(Xaj)L_j(X) = 1 + \frac{X-a_j}{2} \frac{T_n''(a_j)}{T_n'(a_j)} + o(X-a_j)
    Par identification avec Lj(X)=Lj(aj)+(Xaj)Lj(aj)+o(Xaj)L_j(X) = L_j(a_j) + (X-a_j)L_j'(a_j) + o(X-a_j), il vient :
    2Lj(aj)=Tn(aj)Tn(aj)\boxed{ 2 L_j'(a_j) = \frac{T_n''(a_j)}{T_n'(a_j)} }

  2. Considérons l'application linéaire Φ:R2n1[X]R2n\Phi : \mathbb{R}_{2n-1}[X] \to \mathbb{R}^{2n} définie par Φ(P)=(P(aj),P(aj))1jn\Phi(P) = (P(a_j), P'(a_j))_{1 \le j \le n}. L'espace de départ et l'espace d'arrivée ont la même dimension 2n2n. Si PkerΦP \in \ker \Phi, alors chaque aja_j est racine au moins double de PP. Comme il y a nn points distincts, PP possède au moins 2n2n racines comptées avec multiplicité. Étant de degré au plus 2n12n-1, PP est nécessairement nul. Φ\Phi est donc un isomorphisme, ce qui prouve l'existence et l'unicité de Qf,nQ_{f,n}.

  3. On cherche hkh_k tel que hk(aj)=δkjh_k(a_j) = \delta_{kj} et hk(aj)=0h_k'(a_j) = 0. Puisque hkh_k doit avoir des racines doubles en aja_j pour jkj \neq k, il est naturel de poser hk(X)=(AX+B)Lk(X)2h_k(X) = (AX+B) L_k(X)^2. La condition hk(ak)=1h_k(a_k) = 1 donne (Aak+B)12=1(Aa_k+B) \cdot 1^2 = 1. La condition hk(ak)=0h_k'(a_k) = 0 donne ALk(ak)2+2(Aak+B)Lk(ak)Lk(ak)=0A L_k(a_k)^2 + 2(Aa_k+B) L_k(a_k) L_k'(a_k) = 0, soit A+2(1)Lk(ak)=0A + 2(1)L_k'(a_k) = 0. On trouve A=2Lk(ak)A = -2L_k'(a_k) et B=1+2akLk(ak)B = 1 + 2a_k L_k'(a_k). Ainsi :
    hk(X)=(12(Xak)Lk(ak))Lk(X)2\boxed{ h_k(X) = \left( 1 - 2(X-a_k)L_k'(a_k) \right) L_k(X)^2 }
    En utilisant la question 1, on a aussi hk(X)=(1(Xak)Tn(ak)Tn(ak))Lk(X)2h_k(X) = \left( 1 - (X-a_k)\frac{T_n''(a_k)}{T_n'(a_k)} \right) L_k(X)^2.

  4. Notons d'abord que pour tout x[1,1]x \in [-1, 1], on a hk(x)0h_k(x) \ge 0. En effet, l'équation différentielle satisfaite par TnT_n est (1x2)Tn(x)xTn(x)+n2Tn(x)=0(1-x^2)T_n''(x) - xT_n'(x) + n^2 T_n(x) = 0. En aka_k, on a :
    Tn(ak)Tn(ak)=ak1ak2\frac{T_n''(a_k)}{T_n'(a_k)} = \frac{a_k}{1-a_k^2}
    D'où 1(xak)ak1ak2=1ak2xak+ak21ak2=1xak1ak21 - (x-a_k)\frac{a_k}{1-a_k^2} = \frac{1-a_k^2-xa_k+a_k^2}{1-a_k^2} = \frac{1-xa_k}{1-a_k^2}. Comme x1|x| \le 1 et ak<1|a_k| < 1, ce terme est strictement positif. De plus, par unicité de l'interpolation pour la fonction constante égale à 1, on a k=1nhk(x)=1\sum_{k=1}^n h_k(x) = 1. Soit x[1,1]x \in [-1, 1]. On a :
    f(x)Qf,n(x)=k=1n(f(x)f(ak))hk(x)k=1nf(x)f(ak)hk(x)|f(x) - Q_{f,n}(x)| = \left| \sum_{k=1}^n (f(x) - f(a_k)) h_k(x) \right| \le \sum_{k=1}^n |f(x) - f(a_k)| h_k(x)
    On découpe la somme en deux parties selon que xak<δ|x-a_k| < \delta ou xakδ|x-a_k| \ge \delta.
    • Si xak<δ|x-a_k| < \delta, f(x)f(ak)ω(δ)|f(x)-f(a_k)| \le \omega(\delta).
    • Si xakδ|x-a_k| \ge \delta, f(x)f(ak)2f2f(xak)2δ2|f(x)-f(a_k)| \le 2\|f\|_\infty \le 2\|f\|_\infty \frac{(x-a_k)^2}{\delta^2}.
    Ainsi, f(x)Qf,n(x)ω(δ)hk(x)+2fδ2k=1n(xak)2hk(x)|f(x) - Q_{f,n}(x)| \le \omega(\delta) \sum h_k(x) + \frac{2\|f\|_\infty}{\delta^2} \sum_{k=1}^n (x-a_k)^2 h_k(x). Un calcul classique (ou par identification du polynôme d'interpolation de (Xx)2(X-x)^2) montre que (xak)2hk(x)=Tn(x)22n12n\sum (x-a_k)^2 h_k(x) = \frac{T_n(x)^2}{2n} \le \frac{1}{2n}. D'où le résultat (avec une constante 44 pour être large comme dans l'énoncé) :
    fQf,nω(δ)+4fnδ2\boxed{ \|f - Q_{f,n}\|_\infty \le \omega(\delta) + \frac{4\|f\|_\infty}{n\delta^2} }

  5. Soit ϵ>0\epsilon > 0. Par continuité de ff sur le compact [1,1][-1, 1], ff est uniformément continue (théorème de Heine), donc il existe δ>0\delta > 0 tel que ω(δ)ϵ/2\omega(\delta) \le \epsilon/2. δ\delta étant maintenant fixé, on choisit NNN \in \mathbb{N} tel que pour tout nNn \ge N, 4fnδ2ϵ/2\frac{4\|f\|_\infty}{n\delta^2} \le \epsilon/2. Alors pour tout nNn \ge N, fQf,nϵ\|f - Q_{f,n}\|_\infty \le \epsilon. On a donc :
    Qf,nn+unif.f\boxed{ Q_{f,n} \xrightarrow[n \to +\infty]{\text{unif.}} f }

Oublier de vérifier la positivité des polynômes de base h_k pour garantir la majoration.

L'interpolation de Fejér-Hermite sur les points de Chebyshev converge uniformément vers f pour toute fonction continue.