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Soit f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction continue et majorée sur R\mathbb{R}. On pose M=sup⁡x∈Rf(x)M = \sup_{x \in \mathbb{R}} f(x). Pour tout entier naturel n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on définit la fonction fnf_n sur R\mathbb{R} par :

fn(x)=sup⁡y∈R{f(y)−n∣y−x∣}f_n(x) = \sup_{y \in \mathbb{R}} \left\{ f(y) - n|y - x| \right\}

  1. Montrer que pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, fn(x)f_n(x) est bien défini et que le supremum est atteint.
    1. Comparer fnf_n et ff, puis montrer que la suite (fn)n∈N∗(f_n)_{n \in \mathbb{N}^*} est décroissante.
    2. Établir que pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, la fonction fnf_n est nn-lipschitzienne sur R\mathbb{R}.
  2. Étudier la convergence simple de la suite (fn)n≥1(f_n)_{n \geq 1}.
  3. Démontrer que la suite (fn)n≥1(f_n)_{n \geq 1} converge uniformément vers ff sur tout segment de R\mathbb{R}.
  4. À quelle condition sur ff la convergence est-elle uniforme sur R\mathbb{R} ?

1.

Pour l'existence du sup, montrer que l'expression est très petite (tendant vers −∞-\infty) lorsque ∣y∣|y| est grand.

2.

Pour la lipschitzianité, utiliser l'inégalité ∣∣y−x∣−∣y−z∣∣≤∣x−z∣| |y-x| - |y-z| | \leq |x-z|.

3.

Pour la convergence simple, utiliser un point yny_n où le sup est atteint et montrer que yn→xy_n \to x.

4.

Pour la convergence uniforme sur un segment, penser au théorème de Dini.

Idées clés

•

Compacité et continuité pour l'existence du supremum.

•

Propriétés des fonctions Lipschitziennes.

•

Théorème de Dini pour la convergence uniforme locale.

•

Lien entre continuité uniforme et approximation.

Résolution.

  1. Soit x∈Rx \in \mathbb{R} fixé. On considère la fonction gn:y↦f(y)−n∣y−x∣g_n : y \mapsto f(y) - n|y - x|. Puisque ff est majorée par MM, on a gn(y)≤M−n∣y−x∣g_n(y) \leq M - n|y - x|. Il est clair que lim⁡∣y∣→+∞gn(y)=−∞\lim_{|y| \to +\infty} g_n(y) = -\infty. La fonction gng_n est continue sur R\mathbb{R} et tend vers −∞-\infty aux infinis. Par conséquent, gng_n atteint son maximum sur R\mathbb{R}.
    fn(x) est bien deˊfini et le sup est un max.\boxed{f_n(x) \text{ est bien défini et le sup est un max.}}

    1. En choisissant y=xy=x dans le sup, on a immédiatement fn(x)≥f(x)−n∣x−x∣=f(x)f_n(x) \geq f(x) - n|x-x| = f(x). Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^*. Pour tout y∈Ry \in \mathbb{R}, on a −(n+1)∣y−x∣≤−n∣y−x∣-(n+1)|y-x| \leq -n|y-x|. En ajoutant f(y)f(y) et en passant au supremum :
      sup⁡y∈R{f(y)−(n+1)∣y−x∣}≤sup⁡y∈R{f(y)−n∣y−x∣}\sup_{y \in \mathbb{R}} \{f(y) - (n+1)|y-x|\} \leq \sup_{y \in \mathbb{R}} \{f(y) - n|y-x|\}
      D'où fn+1(x)≤fn(x)f_{n+1}(x) \leq f_n(x).
      La suite (fn) est deˊcroissante et minoreˊe par f.\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ est décroissante et minorée par } f.}

    2. Soient x,z∈Rx, z \in \mathbb{R}. Pour tout y∈Ry \in \mathbb{R} :
      f(y)−n∣y−x∣=f(y)−n∣y−z+z−x∣≤f(y)−n∣y−z∣+n∣z−x∣f(y) - n|y-x| = f(y) - n|y-z + z-x| \leq f(y) - n|y-z| + n|z-x|
      En passant au supremum sur yy à gauche, on obtient fn(x)≤fn(z)+n∣z−x∣f_n(x) \leq f_n(z) + n|z-x|, soit fn(x)−fn(z)≤n∣x−z∣f_n(x) - f_n(z) \leq n|x-z|. Par symétrie des rôles de xx et zz, on conclut :
      ∣fn(x)−fn(z)∣≤n∣x−z∣\boxed{|f_n(x) - f_n(z)| \leq n|x-z|}

  2. Soit x∈Rx \in \mathbb{R}. Comme (fn(x))(f_n(x)) est décroissante et minorée par f(x)f(x), elle converge vers une limite L≥f(x)L \geq f(x). Soit yny_n un point tel que fn(x)=f(yn)−n∣yn−x∣f_n(x) = f(y_n) - n|y_n - x|. On a :
    f(x)≤f(yn)−n∣yn−x∣≤M−n∣yn−x∣f(x) \leq f(y_n) - n|y_n - x| \leq M - n|y_n - x|
    On en déduit 0≤n∣yn−x∣≤M−f(x)0 \leq n|y_n - x| \leq M - f(x), ce qui implique ∣yn−x∣→0|y_n - x| \to 0 quand n→+∞n \to +\infty. Ainsi, yn→xy_n \to x. Par continuité de ff en xx, f(yn)→f(x)f(y_n) \to f(x). L'encadrement f(x)≤fn(x)≤f(yn)f(x) \leq f_n(x) \leq f(y_n) fournit par le théorème des gendarmes :
    fn(x)→n→+∞f(x)\boxed{f_n(x) \xrightarrow[n \to +\infty]{} f(x)}

  3. Sur un segment I⊂RI \subset \mathbb{R} : - Chaque fnf_n est continue (car lipschitzienne). - ff est continue. - La suite (fn)(f_n) décroit vers ff simplement. D'après le premier théorème de Dini sur un segment (compact), la convergence est uniforme.
    fn→n→+∞uf sur tout compact.\boxed{f_n \xrightarrow[n \to +\infty]{u} f \text{ sur tout compact.}}

  4. Si ff est uniformément continue sur R\mathbb{R}, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que ∣y−x∣≤δ  ⟹  ∣f(y)−f(x)∣≤ϵ|y-x| \leq \delta \implies |f(y)-f(x)| \leq \epsilon. On a vu que 0≤fn(x)−f(x)≤f(yn)−f(x)0 \leq f_n(x) - f(x) \leq f(y_n) - f(x). Comme n∣yn−x∣≤M−inf⁡fn|y_n - x| \leq M - \inf f, on a ∣yn−x∣≤Cn|y_n - x| \leq \frac{C}{n}. Pour nn assez grand (indépendant de xx), ∣yn−x∣≤δ|y_n - x| \leq \delta, donc f(yn)−f(x)≤ϵf(y_n) - f(x) \leq \epsilon.
    La convergence est uniforme sur R si et seulement si f est uniformeˊment continue.\boxed{\text{La convergence est uniforme sur } \mathbb{R} \text{ si et seulement si } f \text{ est uniformément continue.}}

Ne pas oublier que la convergence uniforme sur R nécessite l'uniforme continuité de f.

L'approximation par sup-convolution permet de construire des suites de fonctions lipschitziennes convergeant vers une fonction continue.