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Soit f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction continue et intégrable sur R\mathbb{R}.

On considère une suite de fonctions (gn)n∈N(g_n)_{n \in \mathbb{N}} continues sur R\mathbb{R} satisfaisant les trois propriétés suivantes :

  1. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, gng_n est positive et ∫−∞+∞gn(t) dt=1\displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} g_n(t)   \mathrm{d}t = 1.
  2. Pour tout α>0\alpha > 0, lim⁡n→+∞∫−ααgn(t) dt=1\displaystyle \lim_{n \to +\infty} \int_{-\alpha}^{\alpha} g_n(t)   \mathrm{d}t = 1.
  3. Pour tout α>0\alpha > 0, lim⁡n→+∞(sup⁡∣t∣≥αgn(t))=0\displaystyle \lim_{n \to +\infty} \left( \sup_{|t| \geq \alpha} g_n(t) \right) = 0.

Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on définit la fonction FnF_n par :

Fn(x)=∫−∞+∞f(x−t)gn(t) dtF_n(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x-t) g_n(t)   \mathrm{d}t

Démontrer que pour tout réel xx, la suite (Fn(x))n∈N(F_n(x))_{n \in \mathbb{N}} converge vers f(x)f(x).

1.

Commencer par justifier l'existence de l'intégrale définissant Fn(x)F_n(x) en utilisant la croissance comparée ou le caractère borné des fonctions continues sur un compact.

2.

Utiliser la condition ∫Rgn=1\int_{\mathbb{R}} g_n = 1 pour exprimer la différence Fn(x)−f(x)F_n(x) - f(x) sous la forme d'une unique intégrale.

3.

Découper l'intégrale en deux parties : une zone proche de l'origine (∣t∣≤α|t| \leq \alpha) où l'on exploite la continuité de ff en xx, et une zone lointaine (∣t∣>α|t| > \alpha) où l'on exploite la décroissance de gng_n et l'intégrabilité de ff.

Idées clés

•

Utilisation de la structure de "noyau d'approximation" (ou approximation de l'unité).

•

Découpage de Chasles (méthode de la fenêtre) pour isoler la continuité locale.

•

Inégalité triangulaire intégrale pour majorer les termes d'erreur.

Étape 1 : Existence de l'intégrale.

Soit n∈Nn \in \mathbb{N} et x∈Rx \in \mathbb{R}. La fonction gng_n est continue sur R\mathbb{R} et tend vers 00 en ±∞\pm \infty d'après la condition (iii). Elle est donc bornée sur R\mathbb{R}.

Posons Mn=sup⁡t∈Rgn(t)M_n = \sup_{t \in \mathbb{R}} g_n(t). On a alors, pour tout t∈Rt \in \mathbb{R} :

∣f(x−t)gn(t)∣≤Mn∣f(x−t)∣|f(x-t) g_n(t)| \leq M_n |f(x-t)|

Comme ff est intégrable sur R\mathbb{R}, par changement de variable affine, t↦f(x−t)t \mapsto f(x-t) l'est aussi. Par comparaison de fonctions positives, l'intégrale définissant Fn(x)F_n(x) est absolument convergente.

Étape 2 : Expression de l'écart.

Puisque ∫Rgn(t) dt=1\int_{\mathbb{R}} g_n(t)   \mathrm{d}t = 1, on peut écrire le terme constant sous forme intégrale :

f(x)=f(x)∫−∞+∞gn(t) dt=∫−∞+∞f(x)gn(t) dtf(x) = f(x) \int_{-\infty}^{+\infty} g_n(t)   \mathrm{d}t = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) g_n(t)   \mathrm{d}t

Par linéarité de l'intégrale, on obtient :

Fn(x)−f(x)=∫−∞+∞(f(x−t)−f(x))gn(t) dtF_n(x) - f(x) = \int_{-\infty}^{+\infty} \left( f(x-t) - f(x) \right) g_n(t)   \mathrm{d}t

D'après l'inégalité triangulaire :

∣Fn(x)−f(x)∣≤∫−∞+∞∣f(x−t)−f(x)∣gn(t) dt|F_n(x) - f(x)| \leq \int_{-\infty}^{+\infty} |f(x-t) - f(x)| g_n(t)   \mathrm{d}t

Étape 3 : Découpage et majoration.

Soit ε>0\varepsilon > 0. Par continuité de ff en xx, il existe α>0\alpha > 0 tel que :

∀t∈[−α,α],∣f(x−t)−f(x)∣≤ε2\forall t \in [-\alpha, \alpha],   |f(x-t) - f(x)| \leq \frac{\varepsilon}{2}

Découpons l'intégrale en deux zones I1(n)I_1(n) et I2(n)I_2(n) correspondant respectivement à {∣t∣≤α}\{|t| \leq \alpha\} et {∣t∣>α}\{|t| > \alpha\}.

Pour la première zone I1(n)I_1(n) :

I1(n)=∫−αα∣f(x−t)−f(x)∣gn(t) dt≤ε2∫−ααgn(t) dtI_1(n) = \int_{-\alpha}^{\alpha} |f(x-t) - f(x)| g_n(t)   \mathrm{d}t \leq \frac{\varepsilon}{2} \int_{-\alpha}^{\alpha} g_n(t)   \mathrm{d}t

Comme ∫−ααgn≤∫Rgn=1\int_{-\alpha}^{\alpha} g_n \leq \int_{\mathbb{R}} g_n = 1, on a :

I1(n)≤ε2\boxed{ I_1(n) \leq \frac{\varepsilon}{2} }

Pour la seconde zone I2(n)I_2(n) :

I2(n)=∫∣t∣>α∣f(x−t)−f(x)∣gn(t) dt≤∫∣t∣>α∣f(x−t)∣gn(t) dt+∣f(x)∣∫∣t∣>αgn(t) dtI_2(n) = \int_{|t| > \alpha} |f(x-t) - f(x)| g_n(t)   \mathrm{d}t \leq \int_{|t| > \alpha} |f(x-t)| g_n(t)   \mathrm{d}t + |f(x)| \int_{|t| > \alpha} g_n(t)   \mathrm{d}t

D'après la condition (iii), gng_n converge uniformément vers 00 sur l'ensemble {∣t∣≥α}\{|t| \geq \alpha\}. Soit hn(α)=sup⁡∣t∣≥αgn(t)h_n(\alpha) = \sup_{|t| \geq \alpha} g_n(t). On a :

I2(n)≤hn(α)∫∣t∣>α∣f(x−t)∣ dt+∣f(x)∣(1−∫−ααgn(t) dt)I_2(n) \leq h_n(\alpha) \int_{|t| > \alpha} |f(x-t)|   \mathrm{d}t + |f(x)| \left( 1 - \int_{-\alpha}^{\alpha} g_n(t)   \mathrm{d}t \right)

Or ∫∣t∣>α∣f(x−t)∣ dt≤∥f∥1\int_{|t| > \alpha} |f(x-t)|   \mathrm{d}t \leq \|f\|_1. D'où :

I2(n)≤hn(α)∥f∥1+∣f(x)∣(1−∫−ααgn(t) dt)I_2(n) \leq h_n(\alpha) \|f\|_1 + |f(x)| \left( 1 - \int_{-\alpha}^{\alpha} g_n(t)   \mathrm{d}t \right)

D'après les conditions (ii) et (iii), les deux termes de droite tendent vers 00 quand n→+∞n \to +\infty. Il existe donc un rang NN tel que pour tout n≥Nn \geq N :

I2(n)≤ε2\boxed{ I_2(n) \leq \frac{\varepsilon}{2} }

Conclusion :

Pour tout n≥Nn \geq N, on a ∣Fn(x)−f(x)∣≤I1(n)+I2(n)≤ε|F_n(x) - f(x)| \leq I_1(n) + I_2(n) \leq \varepsilon. On a donc bien :

lim⁡n→+∞Fn(x)=f(x)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} F_n(x) = f(x) }

Oublier de vérifier l'intégrabilité de la fonction f sur R avant de manipuler les intégrales impropres.

Technique de découpage d'intégrale pour prouver une convergence locale (continuité) combinée à une domination globale (intégrabilité).