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Soit E=C([0,1],R)E = C([0,1], \mathbb{R}) l'espace des fonctions continues sur [0,1][0,1] à valeurs réelles. On considère une fonction g∈C([−1,1],R+)g \in C([-1,1], \mathbb{R}^+) telle que g(x)=0g(x) = 0 si et seulement si x=0x = 0. Pour toute fonction φ∈E\varphi \in E, on définit l'application Tg(φ)T_g(\varphi) par :

∀t∈[0,1],Tg(φ)(t)=inf⁡s∈[0,1](φ(s)+g(s−t))\forall t \in [0,1],   T_g(\varphi)(t) = \inf_{s \in [0,1]} \left( \varphi(s) + g(s-t) \right)

  1. Montrer que pour toute fonction φ∈E\varphi \in E, Tg(φ)T_g(\varphi) appartient également à EE.
  2. Soit φ∈E\varphi \in E. On définit la suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} par f0=φf_0 = \varphi et pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, fn+1=Tg(fn)f_{n+1} = T_g(f_n).
    1. Démontrer que la suite (fn)(f_n) converge uniformément vers une fonction f∈Ef \in E.
    2. Déterminer l'expression de ff dans le cas particulier où g(u)=∣u∣g(u) = |u| pour tout u∈[−1,1]u \in [-1,1].
    3. Étudier la limite ff lorsque g(u)=o(u)g(u) = o(u) au voisinage de 00.

1.

Pour la question 1, utiliser la continuité uniforme de gg sur le compact [−1,1][-1,1] (théorème de Heine) pour obtenir un module de continuité pour Tg(φ)T_g(\varphi).

2.

Pour la question 2.(a), remarquer que fn+1≤fnf_{n+1} \leq f_n et utiliser le théorème de Dini.

3.

Pour la question 2.(b), identifier ff comme la plus grande fonction 11-lipschitzienne minorant φ\varphi.

4.

Pour la question 2.(c), montrer que la condition g(u)=o(u)g(u) = o(u) impose à la limite ff d'être une fonction constante.

Idées clés

•

Compacité de [0,1][0,1] et théorème de Heine (continuité uniforme).

•

Propriété de point fixe de l'inf-convolution.

•

Théorème de Dini pour la convergence uniforme des suites monotones de fonctions continues.

Résolution.

  1. Soit φ∈E\varphi \in E et t,t′∈[0,1]t, t' \in [0,1]. Pour tout s∈[0,1]s \in [0,1], on a par définition de l'infimum :
    Tg(φ)(t)≤φ(s)+g(s−t)=φ(s)+g(s−t′)+g(s−t)−g(s−t′)T_g(\varphi)(t) \leq \varphi(s) + g(s-t) = \varphi(s) + g(s-t') + g(s-t) - g(s-t')
    En passant à l'infimum sur ss dans le membre de droite, on obtient :
    Tg(φ)(t)≤Tg(φ)(t′)+sup⁡s∈[0,1]∣g(s−t)−g(s−t′)∣T_g(\varphi)(t) \leq T_g(\varphi)(t') + \sup_{s \in [0,1]} |g(s-t) - g(s-t')|
    Par symétrie, on en déduit l'inégalité :
    ∣Tg(φ)(t)−Tg(φ)(t′)∣≤sup⁡s∈[0,1]∣g(s−t)−g(s−t′)∣|T_g(\varphi)(t) - T_g(\varphi)(t')| \leq \sup_{s \in [0,1]} |g(s-t) - g(s-t')|
    Comme gg est continue sur le compact [−1,1][-1,1], elle y est uniformément continue d'après le théorème de Heine. Ainsi, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que ∣(s−t)−(s−t′)∣<δ  ⟹  ∣g(s−t)−g(s−t′)∣<ϵ|(s-t) - (s-t')| < \delta \implies |g(s-t) - g(s-t')| < \epsilon. Cela prouve que Tg(φ)T_g(\varphi) est (uniformément) continue sur [0,1][0,1].
    Tg(E)⊂E\boxed{ T_g(E) \subset E }

    1. Puisque g(0)=0g(0) = 0 et g≥0g \geq 0, on a pour tout t∈[0,1]t \in [0,1] :
      fn+1(t)=inf⁡s∈[0,1](fn(s)+g(s−t))≤fn(t)+g(t−t)=fn(t)f_{n+1}(t) = \inf_{s \in [0,1]} (f_n(s) + g(s-t)) \leq f_n(t) + g(t-t) = f_n(t)
      La suite (fn(t))(f_n(t)) est donc décroissante. Comme φ\varphi est continue sur un compact, elle est minorée par un réel mm. Comme g≥0g \geq 0, on montre par récurrence immédiate que chaque fnf_n est minorée par mm. La suite (fn)(f_n) converge donc simplement vers une fonction ff. De plus, l'opérateur TgT_g est stable par passage à la limite simple (sous réserve de continuité uniforme), et on a :
      f(t)=inf⁡s∈[0,1](f(s)+g(s−t))f(t) = \inf_{s \in [0,1]} (f(s) + g(s-t))
      Cette relation implique que ff est continue par le même argument qu'à la question 1. La suite (fn)(f_n) est une suite de fonctions continues décroissant vers une fonction ff continue sur le compact [0,1][0,1]. D'après le théorème de Dini :
      fn→uniff\boxed{ f_n \xrightarrow{unif} f }

    2. Si g(u)=∣u∣g(u) = |u|, la relation de point fixe devient f(t)=inf⁡s(f(s)+∣s−t∣)f(t) = \inf_{s} (f(s) + |s-t|). Cela signifie que pour tout s,t∈[0,1]s, t \in [0,1], f(t)≤f(s)+∣s−t∣f(t) \leq f(s) + |s-t|, soit ∣f(t)−f(s)∣≤∣t−s∣|f(t) - f(s)| \leq |t-s|. ff est donc 11-lipschitzienne. Comme fn≤φf_n \leq \varphi pour tout nn, on a f≤φf \leq \varphi. En fait, ff est la plus grande fonction 11-lipschitzienne minorant φ\varphi. On peut montrer que :
      f(t)=inf⁡s∈[0,1](φ(s)+∣s−t∣)\boxed{ f(t) = \inf_{s \in [0,1]} (\varphi(s) + |s-t|) }

    3. Supposons g(u)=o(u)g(u) = o(u) en 00. Soit t,s∈[0,1]t, s \in [0,1]. Pour tout n≥1n \geq 1, on a :
      f(t)≤f(s)+g(n)(s−t)f(t) \leq f(s) + g^{(n)}(s-t)
      où g(n)g^{(n)} est l'inf-convolution de gg avec elle-même nn fois. Alternativement, fixons ϵ>0\epsilon > 0. Il existe η>0\eta > 0 tel que ∣u∣≤η  ⟹  g(u)≤ϵ∣u∣|u| \leq \eta \implies g(u) \leq \epsilon |u|. Pour ∣s−t∣|s-t| assez petit, f(t)−f(s)≤ϵ∣t−s∣f(t) - f(s) \leq \epsilon |t-s|. En faisant tendre ϵ\epsilon vers 00, on en déduit que ff est dérivable de dérivée nulle, ou plus rigoureusement que ff est kk-lipschitzienne pour tout k>0k > 0. ff est donc constante. Comme fn(t)≥min⁡φf_n(t) \geq \min \varphi et que f≤φf \leq \varphi, la seule constante possible est le minimum de φ\varphi.
      f:t↦min⁡x∈[0,1]φ(x)\boxed{ f : t \mapsto \min_{x \in [0,1]} \varphi(x) }

Oublier de vérifier la continuité de la limite pour appliquer Dini.

L'inf-convolution avec une fonction lipschitzienne régularise la fonction.