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Soit f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction de classe C2\mathcal{C}^2 telle que f(0)=1f(0) = 1. Pour tout entier naturel nNn \in \mathbb{N}^*, on définit la fonction gng_n sur R\mathbb{R} par :

gn(x)=(f(xn))ng_n(x) = \left( f\left( \frac{x}{\sqrt{n}} \right) \right)^n

  1. Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur la dérivée de ff en 00 pour que la suite de fonctions (gn)nN(g_n)_{n \in \mathbb{N}^*} converge simplement sur R\mathbb{R}.
  2. On suppose cette condition réalisée. Démontrer que la convergence est uniforme sur tout segment de R\mathbb{R}.

1.

Utiliser un développement limité de ff au voisinage de 00 à l'ordre 22.

2.

Passer à la forme exponentielle gn(x)=exp(nln(f(x/n)))g_n(x) = \exp(n \ln(f(x/\sqrt{n}))) en justifiant que l'argument du logarithme est strictement positif pour nn assez grand.

3.

Pour la convergence uniforme sur un segment [A,A][-A, A], utiliser le caractère C2\mathcal{C}^2 pour contrôler le reste du développement de Taylor.

Idées clés

Développement limité (DL) à l'ordre 2 pour capturer le comportement en 1/n1/\sqrt{n}.

Étude de la convergence du logarithme de la suite.

Uniformité du reste d'un développement de Taylor-Lagrange sur un compact.

1. Condition de convergence simple.

Soit xRx \in \mathbb{R} fixé. Si x=0x=0, gn(0)=f(0)n=1n=1g_n(0) = f(0)^n = 1^n = 1, donc la suite converge toujours en 00. Supposons x0x \neq 0. Puisque ff est de classe C2\mathcal{C}^2 et f(0)=1f(0)=1, on a le DL au voisinage de 00 :

f(t)=1+f(0)t+f(0)2t2+o(t2)f(t) = 1 + f'(0)t + \frac{f''(0)}{2}t^2 + o(t^2)

En posant t=xnt = \frac{x}{\sqrt{n}}, qui tend vers 00 quand n+n \to +\infty, on obtient :

f(xn)=1+f(0)xn+f(0)x22n+o(1n)f\left(\frac{x}{\sqrt{n}}\right) = 1 + \frac{f'(0)x}{\sqrt{n}} + \frac{f''(0)x^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right)

Pour nn suffisamment grand, f(x/n)>0f(x/\sqrt{n}) > 0, et on peut écrire :

ln(gn(x))=nln(1+f(0)xn+f(0)x22n+o(1n))\ln(g_n(x)) = n \ln\left( 1 + \frac{f'(0)x}{\sqrt{n}} + \frac{f''(0)x^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right) \right)

Premier cas : f(0)0f'(0) \neq 0.

ln(gn(x))=n(f(0)xn+O(1n))=f(0)xn+O(1)\ln(g_n(x)) = n \left( \frac{f'(0)x}{\sqrt{n}} + O\left(\frac{1}{n}\right) \right) = f'(0)x\sqrt{n} + O(1)
Cette expression tend vers ±\pm \infty (selon le signe de f(0)xf'(0)x). Ainsi, gn(x)g_n(x) ne converge pas vers une limite finie non nulle.

Deuxième cas : f(0)=0f'(0) = 0. Le développement devient :

ln(gn(x))=nln(1+f(0)x22n+o(1n))\ln(g_n(x)) = n \ln\left( 1 + \frac{f''(0)x^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right) \right)
En utilisant ln(1+u)=u+o(u)\ln(1+u) = u + o(u) quand u0u \to 0 :
ln(gn(x))=n(f(0)x22n+o(1n))=f(0)x22+o(1)\ln(g_n(x)) = n \left( \frac{f''(0)x^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right) \right) = \frac{f''(0)x^2}{2} + o(1)

Ainsi, ln(gn(x))n+f(0)x22\ln(g_n(x)) \xrightarrow[n \to +\infty]{} \frac{f''(0)x^2}{2}, d'où gn(x)n+ef(0)x22g_n(x) \xrightarrow[n \to +\infty]{} e^{\frac{f''(0)x^2}{2}}.

La condition nécessaire et suffisante est donc :

f(0)=0\boxed{ f'(0) = 0 }

2. Convergence uniforme sur tout segment.

Soit A>0A > 0 et I=[A,A]I = [-A, A]. On suppose f(0)=0f'(0)=0. D'après l'inégalité de Taylor-Lagrange, comme ff est C2\mathcal{C}^2, il existe une fonction ε\varepsilon telle que :

f(t)=1+f(0)2t2+t2ε(t)aveclimt0ε(t)=0f(t) = 1 + \frac{f''(0)}{2}t^2 + t^2\varepsilon(t)   \text{avec}   \lim_{t \to 0} \varepsilon(t) = 0

Pour xIx \in I et nn assez grand (tel que x/n|x/\sqrt{n}| soit dans un voisinage de 00f>0f > 0), on a :

ln(gn(x))=nln(1+x2n(f(0)2+ε(xn)))\ln(g_n(x)) = n \ln\left( 1 + \frac{x^2}{n} \left( \frac{f''(0)}{2} + \varepsilon\left(\frac{x}{\sqrt{n}}\right) \right) \right)

On utilise l'inégalité ln(1+u)uu2|\ln(1+u) - u| \leq u^2 valable pour u1/2|u| \leq 1/2. Posons un(x)=x2n(f(0)2+ε(xn))u_n(x) = \frac{x^2}{n} \left( \frac{f''(0)}{2} + \varepsilon\left(\frac{x}{\sqrt{n}}\right) \right). Pour xIx \in I, un(x)A2nC|u_n(x)| \leq \frac{A^2}{n} CCC est une constante. Donc pour nn assez grand, supxIun(x)0\sup_{x \in I} |u_n(x)| \to 0.

Alors :

ln(gn(x))f(0)x22nun(x)f(0)x22n+nun(x)2\left| \ln(g_n(x)) - \frac{f''(0)x^2}{2} \right| \leq n |u_n(x) - \frac{f''(0)x^2}{2n}| + n |u_n(x)|^2
ln(gn(x))f(0)x22x2ε(xn)+C2A4n\left| \ln(g_n(x)) - \frac{f''(0)x^2}{2} \right| \leq x^2 \left| \varepsilon\left(\frac{x}{\sqrt{n}}\right) \right| + \frac{C^2 A^4}{n}

Comme ε(t)0\varepsilon(t) \to 0 quand t0t \to 0, et que x/nA/n|x/\sqrt{n}| \leq A/\sqrt{n}, on a :

supxIln(gn(x))f(0)x22n+0\sup_{x \in I} \left| \ln(g_n(x)) - \frac{f''(0)x^2}{2} \right| \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0

La convergence de ln(gn)\ln(g_n) vers xf(0)x22x \mapsto \frac{f''(0)x^2}{2} est uniforme sur II. Par composition avec l'exponentielle (qui est uniformément continue sur tout segment contenant les valeurs de nos fonctions), on en déduit :

(gn) converge uniformeˊment vers xexp(f(0)x22) sur [A,A]\boxed{ (g_n) \text{ converge uniformément vers } x \mapsto \exp\left( \frac{f''(0)x^2}{2} \right) \text{ sur } [-A, A] }

Oubli de la condition f'(0)=0 ou manque de rigueur sur le domaine du logarithme.

Méthode du passage à l'exponentielle pour les puissances n-ièmes dépendant d'un paramètre.