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Soit AA une partie non vide d'un espace vectoriel normé (ou plus simplement A⊂RA \subset \mathbb{R}).

On considère une suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} de AA dans K\mathbb{K} (R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}).

On suppose que :

  1. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, la fonction fnf_n est uniformément continue sur AA.
  2. La suite (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} converge uniformément sur AA vers une fonction ff.

Démontrer que la fonction limite ff est uniformément continue sur AA.

1.

Revenir à la définition avec les quantificateurs (ε,δ\varepsilon, \delta).

2.

Utiliser une technique de "découpage en trois" (ε/3\varepsilon/3) en introduisant une fonction fNf_N de la suite.

3.

Exploiter le fait que la convergence est uniforme pour fixer un indice NN indépendant de xx et yy.

Idées clés

•

Technique de la double limite (ou ε/3\varepsilon/3).

•

Utilisation de l'inégalité triangulaire pour lier ff à fnf_n.

•

Exploitation de l'uniformité du contrôle de l'erreur.

Résolution.

Soit ε>0\varepsilon > 0 fixé.

D'après l'hypothèse de convergence uniforme de (fn)(f_n) vers ff sur AA, il existe un rang N∈NN \in \mathbb{N} tel que :

∀n≥N,sup⁡x∈A∣f(x)−fn(x)∣≤ε3\forall n \geq N,   \sup_{x \in A} |f(x) - f_n(x)| \leq \frac{\varepsilon}{3}

En particulier, pour ce rang NN fixé, on a :

∀x∈A,∣f(x)−fN(x)∣≤ε3\forall x \in A,   |f(x) - f_N(x)| \leq \frac{\varepsilon}{3}

Par ailleurs, la fonction fNf_N est supposée uniformément continue sur AA. Par définition, il existe donc un réel δ>0\delta > 0 tel que :

∀(x,y)∈A2,∥x−y∥<δ  ⟹  ∣fN(x)−fN(y)∣≤ε3\forall (x, y) \in A^2,   \|x - y\| < \delta \implies |f_N(x) - f_N(y)| \leq \frac{\varepsilon}{3}

Considérons maintenant deux points quelconques (x,y)∈A2(x, y) \in A^2 tels que ∥x−y∥<δ\|x - y\| < \delta. En utilisant l'inégalité triangulaire, nous pouvons écrire :

∣f(x)−f(y)∣≤∣f(x)−fN(x)∣+∣fN(x)−fN(y)∣+∣fN(y)−f(y)∣|f(x) - f(y)| \leq |f(x) - f_N(x)| + |f_N(x) - f_N(y)| + |f_N(y) - f(y)|

En utilisant les deux majorations précédentes, on obtient :

∣f(x)−f(y)∣≤ε3+ε3+ε3|f(x) - f(y)| \leq \frac{\varepsilon}{3} + \frac{\varepsilon}{3} + \frac{\varepsilon}{3}

D'où le résultat final pour tout (x,y)∈A2(x, y) \in A^2 tels que ∥x−y∥<δ\|x - y\| < \delta :

∣f(x)−f(y)∣≤ε\boxed{|f(x) - f(y)| \leq \varepsilon}

Comme δ\delta ne dépend que de ε\varepsilon (et de l'indice NN qui lui-même ne dépend que de ε\varepsilon), nous avons prouvé que :

f est uniformeˊment continue sur A\boxed{f \text{ est uniformément continue sur } A}

Confondre convergence simple et convergence uniforme.

La convergence uniforme conserve la continuité uniforme.