Soit un segment de de longueur strictement positive. On considère une fonction de classe . On munit l'espace de la norme de la convergence uniforme .
Soit le sous-espace vectoriel de engendré par la famille de fonctions :
Montrer que est dense dans si et seulement si n'est pas une fonction polynomiale.
Pour le sens direct, procéder par contraposée : si est un polynôme de degré , quelle est la dimension de ?
Pour le sens réciproque, montrer par récurrence que tout monôme appartient à l'adhérence .
Utiliser un développement de Taylor-Young pour approcher les dérivées de à l'aide de combinaisons linéaires de ses translatées.
Stabilité des polynômes par composition affine.
Approximation des dérivées par taux d'accroissement (différences finies).
Théorème d'approximation de Weierstrass.
Sens direct ( par contraposée).
Supposons que soit un polynôme de degré . Pour tout et , la fonction est également un polynôme de degré au plus .
Ainsi, le sous-espace est inclus dans l'espace des fonctions polynomiales de degré inférieur ou égal à :
Or, est un sous-espace vectoriel de dimension finie () de . Un sous-espace de dimension finie est toujours fermé dans un espace vectoriel normé. On en déduit :
Puisque est de dimension infinie, , donc n'est pas dense.
Sens réciproque ().
Supposons que ne soit pas un polynôme. Cela signifie que pour tout , il existe un réel tel que . Montrons par récurrence sur que le monôme appartient à .
Initialisation () : Comme n'est pas nulle (sinon ce serait un polynôme), il existe tel que . La fonction constante appartient à (cas par continuité, ou plus rigoureusement, en considérant et en faisant tendre vers ). En effet, pour tout , uniformément sur le segment . Comme est un sous-espace, la fonction constante est dans .
Hérédité : Supposons que . Soit tel que . D'après la formule de Taylor-Young en , pour au voisinage de :
Considérons la fonction . Par hypothèse de récurrence, les fonctions pour sont dans , donc la somme soustraite est dans . Ainsi, est dans .
Quand , uniformément sur . On en conclut que .
Conclusion : contient tous les monômes, donc il contient . D'après le théorème de Weierstrass, est dense dans .
Convergence uniforme nécessaire pour l'adhérence
Un sous-espace de dimension finie n'est pas dense en dimension infinie