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Soit f∈C([a,b],R)f \in \mathcal{C}([a, b], \mathbb{R}) une fonction continue sur un segment [a,b][a, b] de R\mathbb{R}.

  1. Justifier que pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe une constante α>0\alpha > 0 telle que :
    ∀(x,y)∈[a,b]2,∣f(x)−f(y)∣≤ε+α(x−y)2\forall (x, y) \in [a, b]^2,   |f(x) - f(y)| \leq \varepsilon + \alpha(x-y)^2

  2. On considère une suite d'endomorphismes (Tn)n∈N(T_n)_{n \in \mathbb{N}} de C([a,b],R)\mathcal{C}([a, b], \mathbb{R}). On suppose que ces endomorphismes sont positifs, c'est-à-dire que pour toute fonction g≥0g \geq 0, on a Tn(g)≥0T_n(g) \geq 0. On note eie_i les fonctions de base ei:x↦xie_i : x \mapsto x^i pour i∈{0,1,2}i \in \{0, 1, 2\}. On suppose que pour chaque i∈{0,1,2}i \in \{0, 1, 2\}, la suite (Tn(ei))n∈N(T_n(e_i))_{n \in \mathbb{N}} converge uniformément vers eie_i sur [a,b][a, b]. Démontrer que la suite (Tn(f))n∈N(T_n(f))_{n \in \mathbb{N}} converge uniformément vers ff sur [a,b][a, b].

1.

Pour la question 1, utiliser le théorème de Heine pour la continuité uniforme et le fait que toute fonction continue sur un segment est bornée. Distinguer les cas ∣x−y∣≤δ|x-y| \leq \delta et ∣x−y∣>δ|x-y| > \delta.

2.

Pour la question 2, utiliser la linéarité et la croissance des opérateurs TnT_n (conséquence de la positivité). Appliquer TnT_n à l'inégalité de la question 1 par rapport à la variable yy, en fixant xx.

3.

Étudier la quantité Tn((x−e1)2)(x)T_n((x-e_1)^2)(x) en développant le carré.

Idées clés

•

Continuité uniforme (Théorème de Heine).

•

Propriété de croissance des opérateurs positifs : si g≤hg \leq h, alors Tn(g)≤Tn(h)T_n(g) \leq T_n(h).

•

Approximation uniforme par l'étude du comportement sur une base de polynômes de bas degré.

Résolution.

  1. Soit ε>0\varepsilon > 0. La fonction ff est continue sur le segment [a,b][a, b]. D'après le théorème de Heine, ff est uniformément continue sur [a,b][a, b]. Il existe donc δ>0\delta > 0 tel que :
    ∀(x,y)∈[a,b]2,∣x−y∣≤δ  ⟹  ∣f(x)−f(y)∣≤ε\forall (x, y) \in [a, b]^2,   |x-y| \leq \delta \implies |f(x) - f(y)| \leq \varepsilon
    De plus, ff est continue sur un segment, donc elle est bornée. Notons M=∥f∥∞M = \|f\|_\infty. Soit (x,y)∈[a,b]2(x, y) \in [a, b]^2. Distinguons deux cas : Cas 1 : ∣x−y∣≤δ|x-y| \leq \delta. D'après la continuité uniforme, on a directement ∣f(x)−f(y)∣≤ε|f(x) - f(y)| \leq \varepsilon. Puisque α(x−y)2≥0\alpha(x-y)^2 \geq 0, l'inégalité est vérifiée pour tout α>0\alpha > 0. Cas 2 : ∣x−y∣>δ|x-y| > \delta. On a ∣f(x)−f(y)∣≤2M|f(x) - f(y)| \leq 2M. Comme ∣x−y∣>δ|x-y| > \delta, on a (x−y)2δ2>1\frac{(x-y)^2}{\delta^2} > 1, donc :
    ∣f(x)−f(y)∣≤2M≤2M(x−y)2δ2|f(x) - f(y)| \leq 2M \leq 2M \frac{(x-y)^2}{\delta^2}
    En choisissant α=2Mδ2\alpha = \frac{2M}{\delta^2}, on obtient dans les deux cas :
    ∣f(x)−f(y)∣≤ε+α(x−y)2\boxed{|f(x) - f(y)| \leq \varepsilon + \alpha(x-y)^2}

  2. Soit n∈Nn \in \mathbb{N} et x∈[a,b]x \in [a, b] fixé. L'inégalité précédente s'écrit, pour tout y∈[a,b]y \in [a, b] :
    −ε−α(x−y)2≤f(y)−f(x)≤ε+α(x−y)2-\varepsilon - \alpha(x-y)^2 \leq f(y) - f(x) \leq \varepsilon + \alpha(x-y)^2
    L'opérateur TnT_n est linéaire et positif, donc il conserve l'ordre. On applique TnT_n à cette inégalité de fonctions de la variable yy (en notant que f(x)f(x) et ε\varepsilon sont ici des constantes) :
    Tn(−εe0−α(xe0−e1)2)≤Tn(f)−f(x)Tn(e0)≤Tn(εe0+α(xe0−e1)2)T_n(-\varepsilon e_0 - \alpha(x e_0 - e_1)^2) \leq T_n(f) - f(x)T_n(e_0) \leq T_n(\varepsilon e_0 + \alpha(x e_0 - e_1)^2)
    Par linéarité, on se concentre sur le majorant. On a, pour tout x∈[a,b]x \in [a, b] :
    Tn(f)(x)−f(x)Tn(e0)(x)≤εTn(e0)(x)+αTn((xe0−e1)2)(x)T_n(f)(x) - f(x)T_n(e_0)(x) \leq \varepsilon T_n(e_0)(x) + \alpha T_n((x e_0 - e_1)^2)(x)
    Développons le terme quadratique par linéarité de TnT_n :
    Tn((xe0−e1)2)(x)=x2Tn(e0)(x)−2xTn(e1)(x)+Tn(e2)(x)T_n((x e_0 - e_1)^2)(x) = x^2 T_n(e_0)(x) - 2x T_n(e_1)(x) + T_n(e_2)(x)
    Par hypothèse, Tn(ei)→unifeiT_n(e_i) \xrightarrow{unif} e_i. Donc, pour chaque xx, le terme ci-dessus converge vers :
    x2(1)−2x(x)+x2=0x^2(1) - 2x(x) + x^2 = 0
    Puisque [a,b][a, b] est compact et que les Tn(ei)T_n(e_i) convergent uniformément, cette convergence vers 0 est uniforme par rapport à xx. De même, Tn(e0)→unif1T_n(e_0) \xrightarrow{unif} 1. Pour nn assez grand, on a ∣Tn(e0)(x)∣≤2|T_n(e_0)(x)| \leq 2 et ∣Tn(f)(x)−f(x)Tn(e0)(x)∣≤3ε|T_n(f)(x) - f(x)T_n(e_0)(x)| \leq 3\varepsilon. Enfin, on utilise l'inégalité triangulaire :
    ∣Tn(f)(x)−f(x)∣≤∣Tn(f)(x)−f(x)Tn(e0)(x)∣+∣f(x)Tn(e0)(x)−f(x)∣|T_n(f)(x) - f(x)| \leq |T_n(f)(x) - f(x)T_n(e_0)(x)| + |f(x)T_n(e_0)(x) - f(x)|
    ∣Tn(f)(x)−f(x)∣≤∣Tn(f)(x)−f(x)Tn(e0)(x)∣+∣f(x)∣⋅∣Tn(e0)(x)−1∣|T_n(f)(x) - f(x)| \leq |T_n(f)(x) - f(x)T_n(e_0)(x)| + |f(x)| \cdot |T_n(e_0)(x) - 1|
    Le premier bloc tend uniformément vers 0 (comme montré précédemment), et le second aussi car ff est bornée et Tn(e0)→1T_n(e_0) \to 1 uniformément. On en conclut que :
    Tn(f)→uniff sur [a,b]\boxed{T_n(f) \xrightarrow{unif} f \text{ sur } [a, b]}

Confusion entre la variable d'application de l'opérateur et le paramètre spatial.

La convergence des opérateurs positifs sur {1, x, x^2} implique la convergence sur C([a,b]).