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Soit II un segment de R\mathbb{R} de longueur strictement positive. On considère une fonction f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} de classe C\mathcal{C}^\infty. On munit l'espace C(I,R)\mathcal{C}(I, \mathbb{R}) de la norme de la convergence uniforme \|\cdot\|_\infty.

Soit VfV_f le sous-espace vectoriel de C(I,R)\mathcal{C}(I, \mathbb{R}) engendré par la famille de fonctions :

{xf(ax+b)aR+,bR}\left\{ x \mapsto f(ax+b) \mid a \in \mathbb{R}_+^*, b \in \mathbb{R} \right\}

Montrer que VfV_f est dense dans (C(I,R),)(\mathcal{C}(I, \mathbb{R}), \|\cdot\|_\infty) si et seulement si ff n'est pas une fonction polynomiale.

1.

Pour le sens direct, procéder par contraposée : si ff est un polynôme de degré dd, quelle est la dimension de VfV_f ?

2.

Pour le sens réciproque, montrer par récurrence que tout monôme xxnx \mapsto x^n appartient à l'adhérence Vf\overline{V_f}.

3.

Utiliser un développement de Taylor-Young pour approcher les dérivées de ff à l'aide de combinaisons linéaires de ses translatées.

Idées clés

Stabilité des polynômes par composition affine.

Approximation des dérivées par taux d'accroissement (différences finies).

Théorème d'approximation de Weierstrass.

Sens direct (    \implies par contraposée).

Supposons que ff soit un polynôme de degré dNd \in \mathbb{N}. Pour tout aR+a \in \mathbb{R}_+^* et bRb \in \mathbb{R}, la fonction xf(ax+b)x \mapsto f(ax+b) est également un polynôme de degré au plus dd.

Ainsi, le sous-espace VfV_f est inclus dans l'espace des fonctions polynomiales de degré inférieur ou égal à dd :

VfRd[X]V_f \subset \mathbb{R}_d[X]

Or, Rd[X]\mathbb{R}_d[X] est un sous-espace vectoriel de dimension finie (d+1d+1) de C(I,R)\mathcal{C}(I, \mathbb{R}). Un sous-espace de dimension finie est toujours fermé dans un espace vectoriel normé. On en déduit :

VfRd[X]\overline{V_f} \subset \mathbb{R}_d[X]

Puisque C(I,R)\mathcal{C}(I, \mathbb{R}) est de dimension infinie, VfC(I,R)\overline{V_f} \neq \mathcal{C}(I, \mathbb{R}), donc VfV_f n'est pas dense.

Sens réciproque (\impliedm\implied m).

Supposons que ff ne soit pas un polynôme. Cela signifie que pour tout nNn \in \mathbb{N}, il existe un réel bnb_n tel que f(n)(bn)0f^{(n)}(b_n) \neq 0. Montrons par récurrence sur nn que le monôme xxnx \mapsto x^n appartient à Vf\overline{V_f}.

Initialisation (n=0n=0) : Comme ff n'est pas nulle (sinon ce serait un polynôme), il existe bRb \in \mathbb{R} tel que f(b)0f(b) \neq 0. La fonction constante xf(b)x \mapsto f(b) appartient à VfV_f (cas a0a \to 0 par continuité, ou plus rigoureusement, en considérant f(ax+b)Vff(ax+b) \in V_f et en faisant tendre aa vers 00). En effet, pour tout xIx \in I, f(ax+b)a0f(b)f(ax+b) \xrightarrow[a \to 0]{} f(b) uniformément sur le segment II. Comme VfV_f est un sous-espace, la fonction constante 1=1f(b)f(b)1 = \frac{1}{f(b)} \cdot f(b) est dans Vf\overline{V_f}.

Hérédité : Supposons que Rn1[X]Vf\mathbb{R}_{n-1}[X] \subset \overline{V_f}. Soit bb tel que f(n)(b)0f^{(n)}(b) \neq 0. D'après la formule de Taylor-Young en bb, pour axax au voisinage de 00 :

f(ax+b)=k=0nf(k)(b)k!(ax)k+o(an)f(ax+b) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(b)}{k!} (ax)^k + o(a^n)

Considérons la fonction ga:x1an(f(ax+b)k=0n1f(k)(b)k!(ax)k)g_a : x \mapsto \frac{1}{a^n} \left( f(ax+b) - \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(b)}{k!} (ax)^k \right). Par hypothèse de récurrence, les fonctions xxkx \mapsto x^k pour k<nk < n sont dans Vf\overline{V_f}, donc la somme soustraite est dans Vf\overline{V_f}. Ainsi, gag_a est dans Vf\overline{V_f}.

Quand a0a \to 0, ga(x)f(n)(b)n!xng_a(x) \to \frac{f^{(n)}(b)}{n!} x^n uniformément sur II. On en conclut que xxnVf=Vfx \mapsto x^n \in \overline{\overline{V_f}} = \overline{V_f}.

Conclusion : Vf\overline{V_f} contient tous les monômes, donc il contient R[X]\mathbb{R}[X]. D'après le théorème de Weierstrass, R[X]\mathbb{R}[X] est dense dans C(I,R)\mathcal{C}(I, \mathbb{R}).

Vf=C(I,R)\boxed{ \overline{V_f} = \mathcal{C}(I, \mathbb{R}) }

Convergence uniforme nécessaire pour l'adhérence

Un sous-espace de dimension finie n'est pas dense en dimension infinie