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Soit II un intervalle de R\mathbb{R} et (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions continues de II dans R\mathbb{R}. On suppose que la suite (fn)(f_n) converge uniformément vers une fonction ff sur II.

  1. On définit pour tout nNn \in \mathbb{N} la fonction gng_n par :
    xI,gn(x)=fn(x)1+fn(x)2\forall x \in I,   g_n(x) = \frac{f_n(x)}{1 + f_n(x)^2}
    Démontrer que la suite (gn)(g_n) converge uniformément sur II vers une fonction gg que l'on précisera.
  2. Plus généralement, soit φ:RR\varphi : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction. Quelle condition suffisante sur φ\varphi permet d'assurer que pour toute suite (fn)(f_n) convergeant uniformément vers ff, la suite (φfn)(\varphi \circ f_n) converge uniformément vers φf\varphi \circ f ?

1.

Pour la question 1, on pourra étudier la fonction h(t)=t1+t2h(t) = \frac{t}{1+t^2} et vérifier qu'elle est lipschitzienne (ou uniformément continue) sur R\mathbb{R}.

2.

Pour la question 2, revenir à la définition de la convergence uniforme et utiliser la définition de l'uniforme continuité (théorème de Heine ou propriété globale).

Idées clés

Uniforme continuité de la fonction de composition.

Utilisation de la norme infinie \| \cdot \|_\infty.

Résolution.

  1. La suite (fn)(f_n) converge uniformément vers ff, donc elle converge simplement vers ff. Par continuité de la fonction h:tt1+t2h : t \mapsto \frac{t}{1+t^2} sur R\mathbb{R}, la suite (gn)(g_n) converge simplement vers la fonction gg définie par :
    xI,g(x)=f(x)1+f(x)2\forall x \in I,   \boxed{g(x) = \frac{f(x)}{1 + f(x)^2}}

    Étudions la différence gn(x)g(x)|g_n(x) - g(x)|. On a gng=h(fn)h(f)g_n - g = h(f_n) - h(f). La fonction hh est dérivable sur R\mathbb{R} et h(t)=1t2(1+t2)2h'(t) = \frac{1-t^2}{(1+t^2)^2}. On remarque que h(t)1|h'(t)| \leq 1 pour tout tRt \in \mathbb{R} (en effet, 1t21+t2|1-t^2| \leq 1+t^2 et 1+t211+t^2 \geq 1). D'après l'inégalité des accroissements finis, hh est 11-lipschitzienne sur R\mathbb{R}. Ainsi :

    xI,gn(x)g(x)=h(fn(x))h(f(x))fn(x)f(x)\forall x \in I,   |g_n(x) - g(x)| = |h(f_n(x)) - h(f(x))| \leq |f_n(x) - f(x)|

    En passant au supremum sur II, on obtient :

    gngfnf\boxed{\|g_n - g\|_\infty \leq \|f_n - f\|_\infty}

    Comme fnf0\|f_n - f\|_\infty \to 0, on en déduit que gng0\|g_n - g\|_\infty \to 0, d'où la convergence uniforme de (gn)(g_n) vers gg.

  2. Analyse du cas général. Soit φ:RR\varphi : \mathbb{R} \to \mathbb{R}. Supposons φ\varphi uniformément continue sur R\mathbb{R}. Soit ϵ>0\epsilon > 0. Par définition de l'uniforme continuité, il existe η>0\eta > 0 tel que :
    (u,v)R2,uv<η    φ(u)φ(v)<ϵ\forall (u,v) \in \mathbb{R}^2,   |u-v| < \eta \implies |\varphi(u) - \varphi(v)| < \epsilon

    Puisque fnCUff_n \xrightarrow{CU} f, il existe un rang NN tel que pour tout nNn \geq N, fnf<η\|f_n - f\|_\infty < \eta. Alors, pour tout nNn \geq N et pour tout xIx \in I, on a fn(x)f(x)<η|f_n(x) - f(x)| < \eta, ce qui implique :

    φ(fn(x))φ(f(x))<ϵ|\varphi(f_n(x)) - \varphi(f(x))| < \epsilon

    Ceci étant vrai pour tout xIx \in I, on a φfnφfϵ\|\varphi \circ f_n - \varphi \circ f\|_\infty \leq \epsilon. Ainsi, \boxed{\text{l'uniforme continuité de } \varphi \text{ est une condition suffisante.}}

Confondre continuité simple et uniforme continuité sur un domaine non compact.

La convergence uniforme est préservée par composition avec une fonction uniformément continue.