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Soit f:RKf : \mathbb{R} \to \mathbb{K} une fonction continue, où K\mathbb{K} désigne R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}.

Montrer qu'il existe une suite de fonctions polynomiales (Pn)nN(P_n)_{n \in \mathbb{N}} à coefficients dans K\mathbb{K} qui converge vers ff uniformément sur tout segment de R\mathbb{R}.

1.

Utiliser le théorème de Weierstrass classique sur une suite de segments emboîtés, par exemple [n,n][-n, n].

2.

Construire la suite (Pn)(P_n) en contrôlant l'erreur d'approximation sur chaque segment.

3.

Pour le cas complexe, séparer les parties réelle et imaginaire ou appliquer le théorème directement sur C\mathbb{C}.

Idées clés

Utilisation du théorème de Weierstrass sur un segment.

Définition de la convergence uniforme sur tout compact (ou convergence locale).

Extension du cas réel au cas complexe par linéarité.

Résolution.

Considérons d'abord le cas où ff est à valeurs réelles (K=R\mathbb{K} = \mathbb{R}).

Pour chaque entier naturel nNn \in \mathbb{N}^*, on considère la restriction de ff au segment In=[n,n]I_n = [-n, n]. Puisque ff est continue sur R\mathbb{R}, sa restriction à InI_n est continue sur le segment InI_n.

D'après le théorème d'approximation de Weierstrass, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe un polynôme réalisant une approximation uniforme de ff sur ce segment. En particulier, pour ϵn=1n\epsilon_n = \frac{1}{n}, il existe un polynôme PnR[X]P_n \in \mathbb{R}[X] tel que :

supx[n,n]f(x)Pn(x)1n\sup_{x \in [-n, n]} |f(x) - P_n(x)| \leq \frac{1}{n}

Montrons que cette suite (Pn)nN(P_n)_{n \in \mathbb{N}^*} convient. Soit KK un segment quelconque de R\mathbb{R}. Par propriété des segments, il existe un entier NNN \in \mathbb{N}^* tel que K[N,N]K \subset [-N, N].

Pour tout nNn \geq N, on a l'inclusion K[n,n]K \subset [-n, n], ce qui implique :

supxKf(x)Pn(x)supx[n,n]f(x)Pn(x)\sup_{x \in K} |f(x) - P_n(x)| \leq \sup_{x \in [-n, n]} |f(x) - P_n(x)|

D'après la construction de PnP_n, nous en déduisons :

nN,fPn,K1n\forall n \geq N,   \|f - P_n\|_{\infty, K} \leq \frac{1}{n}

Puisque la suite (1/n)(1/n) converge vers 00, on en conclut que la suite (Pn)(P_n) converge uniformément vers ff sur le segment KK. Ceci étant vrai pour tout segment KK, la suite converge uniformément sur tout segment de R\mathbb{R}.

Cas complexe : Si f:RCf : \mathbb{R} \to \mathbb{C}, on peut écrire f=u+ivf = u + iv avec u,vu, v continues et réelles. Il existe (Qn)(Q_n) et (Rn)(R_n) suites de polynômes réels convergeant uniformément vers uu et vv sur tout segment. Alors Pn=Qn+iRnP_n = Q_n + iR_n convient.

La suite (Pn) converge vers f uniformeˊment sur tout segment.\boxed{ \text{La suite } (P_n) \text{ converge vers } f \text{ uniformément sur tout segment.} }

Ne pas confondre convergence uniforme sur tout segment et convergence uniforme sur R.

La convergence uniforme locale s'obtient par Weierstrass sur des segments croissants.