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Soit f:[0,1]Rf : [0, 1] \to \mathbb{R} une fonction continue.

Démontrer qu'il existe une suite de fonctions polynomiales (Pn)nN(P_n)_{n \in \mathbb{N}} qui converge uniformément vers ff sur [0,1][0, 1] et qui est croissante, c'est-à-dire que :

nN,x[0,1],Pn(x)Pn+1(x)\forall n \in \mathbb{N}, \forall x \in [0, 1],   P_n(x) \leq P_{n+1}(x)

1.

Commencer par utiliser le théorème de Weierstrass pour obtenir une suite de polynômes (Qn)(Q_n) convergeant uniformément vers ff.

2.

Modifier la suite (Qn)(Q_n) en retranchant des constantes bien choisies pour forcer la monotonie.

3.

On pourra poser Pn=QnαnP_n = Q_n - \alpha_n avec αn\alpha_n une suite de réels judicieusement choisie.

Idées clés

Théorème d'approximation de Weierstrass.

Contrôle de l'écart entre deux termes consécutifs d'une suite convergente.

Construction par décalage pour assurer la monotonie.

Résolution.

D'après le théorème de Weierstrass, pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, il existe un polynôme QnR[X]Q_n \in \mathbb{R}[X] tel que :

fQn12n+2\|f - Q_n\|_{\infty} \leq \frac{1}{2^{n+2}}

Nous souhaitons construire PnP_n sous la forme Pn=QncnP_n = Q_n - c_ncnc_n est une constante positive telle que PnP_n converge vers ff et Pn+1PnP_{n+1} \geq P_n. Posons cn=12nc_n = \frac{1}{2^n}. Alors :

f(x)Pn(x)=f(x)Qn(x)+12nf(x)Qn(x)+12n|f(x) - P_n(x)| = |f(x) - Q_n(x) + \frac{1}{2^n}| \leq |f(x) - Q_n(x)| + \frac{1}{2^n}

D'où fPn12n+2+12nn0\|f - P_n\|_{\infty} \leq \frac{1}{2^{n+2}} + \frac{1}{2^n} \xrightarrow[n \to \infty]{} 0. La convergence uniforme est donc assurée. Étudions maintenant la monotonie. Pour tout x[0,1]x \in [0, 1] :

Pn+1(x)Pn(x)=Qn+1(x)Qn(x)+12n12n+1P_{n+1}(x) - P_n(x) = Q_{n+1}(x) - Q_n(x) + \frac{1}{2^n} - \frac{1}{2^{n+1}}

Simplifions le terme constant : 12n12n+1=12n+1\frac{1}{2^n} - \frac{1}{2^{n+1}} = \frac{1}{2^{n+1}}. On a alors :

Pn+1(x)Pn(x)=Qn+1(x)Qn(x)+12n+1P_{n+1}(x) - P_n(x) = Q_{n+1}(x) - Q_n(x) + \frac{1}{2^{n+1}}

Majorons Qn+1(x)Qn(x)|Q_{n+1}(x) - Q_n(x)| en utilisant l'inégalité triangulaire avec ff :

Qn+1(x)Qn(x)Qn+1(x)f(x)+f(x)Qn(x)|Q_{n+1}(x) - Q_n(x)| \leq |Q_{n+1}(x) - f(x)| + |f(x) - Q_n(x)|
Qn+1(x)Qn(x)12n+3+12n+2=32n+3|Q_{n+1}(x) - Q_n(x)| \leq \frac{1}{2^{n+3}} + \frac{1}{2^{n+2}} = \frac{3}{2^{n+3}}

Il vient alors :

Pn+1(x)Pn(x)12n+132n+3=432n+3=12n+3P_{n+1}(x) - P_n(x) \geq \frac{1}{2^{n+1}} - \frac{3}{2^{n+3}} = \frac{4 - 3}{2^{n+3}} = \frac{1}{2^{n+3}}

Ainsi, pour tout x[0,1]x \in [0, 1] :

Pn+1(x)Pn(x)>0\boxed{ P_{n+1}(x) - P_n(x) > 0 }

La suite (Pn)(P_n) est donc strictement croissante et converge uniformément vers ff sur [0,1][0, 1].

Vouloir utiliser des fonctions min/max qui ne sont pas des polynômes.

Forcer la monotonie par un décalage epsilon_n dominant l'erreur d'approximation.