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Soit II un intervalle de R\mathbb{R} et (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions dérivables de II dans C\mathbb{C}. On suppose qu'il existe x0∈Ix_0 \in I tel que la suite numérique (fn(x0))n∈N(f_n(x_0))_{n \in \mathbb{N}} converge. On suppose de plus que la suite des dérivées (fn′)n∈N(f_n')_{n \in \mathbb{N}} converge uniformément sur tout segment de II vers une fonction g:I→Cg : I \to \mathbb{C}.

  1. Montrer que la suite (fn)(f_n) converge uniformément sur tout segment de II vers une fonction ff.
  2. Soit x∈Ix \in I. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on définit ϕn:I∖{x}→C\phi_n : I \setminus \{x\} \to \mathbb{C} par ϕn(y)=fn(y)−fn(x)y−x\phi_n(y) = \frac{f_n(y) - f_n(x)}{y - x}.
    1. Montrer que pour tout segment J⊂IJ \subset I, la suite (ϕn)(\phi_n) converge uniformément sur J∖{x}J \setminus \{x\}.
    2. En déduire que ff est dérivable sur II et que f′=gf' = g.

1.

Pour la question 1, utiliser le critère de Cauchy uniforme et l'inégalité des accroissements finis appliquée à fp−fqf_p - f_q.

2.

Pour la question 2.(a), exprimer ϕn(y)\phi_n(y) à l'aide d'une intégrale ou utiliser l'inégalité des accroissements finis sur la fonction fp−fqf_p - f_q.

3.

Pour la question 2.(b), appliquer le théorème d'interversion des limites (limite de la fonction en xx et limite de la suite de fonctions).

Idées clés

•

Critère de Cauchy uniforme pour établir la convergence.

•

Inégalité des accroissements finis (IAF) pour contrôler l'écart entre deux fonctions de la suite.

•

Théorème d'interversion des limites.

Résolution.

  1. Soit JJ un segment de II contenant x0x_0. Montrons que (fn)(f_n) vérifie le critère de Cauchy uniforme sur JJ. Soit ε>0\varepsilon > 0. Puisque (fn(x0))(f_n(x_0)) converge, elle est de Cauchy : il existe n1n_1 tel que pour p,q≥n1p, q \ge n_1, ∣fp(x0)−fq(x0)∣≤ε|f_p(x_0) - f_q(x_0)| \le \varepsilon. Puisque (fn′)(f_n') converge uniformément sur JJ, elle y vérifie le critère de Cauchy uniforme : il existe n2n_2 tel que pour p,q≥n2p, q \ge n_2, ∥fp′−fq′∥∞,J≤ε\|f_p' - f_q'\|_{\infty, J} \le \varepsilon. Soit n0=max⁡(n1,n2)n_0 = \max(n_1, n_2). Pour p,q≥n0p, q \ge n_0 et x∈Jx \in J, on utilise l'inégalité triangulaire :
    ∣fp(x)−fq(x)∣≤∣fp(x)−fq(x)−(fp(x0)−fq(x0))∣+∣fp(x0)−fq(x0)∣|f_p(x) - f_q(x)| \le |f_p(x) - f_q(x) - (f_p(x_0) - f_q(x_0))| + |f_p(x_0) - f_q(x_0)|
    Par l'inégalité des accroissements finis appliquée à la fonction h=fp−fqh = f_p - f_q entre xx and x0x_0 :
    ∣(fp−fq)(x)−(fp−fq)(x0)∣≤∣x−x0∣⋅∥fp′−fq′∥∞,J|(f_p - f_q)(x) - (f_p - f_q)(x_0)| \le |x - x_0| \cdot \|f_p' - f_q'\|_{\infty, J}
    En notant LL la longueur du segment JJ, on obtient pour tout x∈Jx \in J :
    ∣fp(x)−fq(x)∣≤Lε+ε=(L+1)ε|f_p(x) - f_q(x)| \le L \varepsilon + \varepsilon = (L+1)\varepsilon
    Ceci prouve que (fn)(f_n) converge uniformément sur JJ. On note ff sa limite.
    fn→n→∞unif.surJf\boxed{f_n \xrightarrow[n \to \infty]{unif. sur J} f}

    1. Fixons x∈Ix \in I et un segment J⊂IJ \subset I contenant xx. Pour p,q≥n0p, q \ge n_0 et y∈J∖{x}y \in J \setminus \{x\}, on a :
      ϕp(y)−ϕq(y)=(fp−fq)(y)−(fp−fq)(x)y−x\phi_p(y) - \phi_q(y) = \frac{(f_p - f_q)(y) - (f_p - f_q)(x)}{y - x}
      D'après l'IAF appliquée à fp−fqf_p - f_q entre xx et yy :
      ∣ϕp(y)−ϕq(y)∣≤sup⁡t∈[x,y]∣fp′(t)−fq′(t)∣≤∥fp′−fq′∥∞,J|\phi_p(y) - \phi_q(y)| \le \sup_{t \in [x, y]} |f_p'(t) - f_q'(t)| \le \|f_p' - f_q'\|_{\infty, J}
      Puisque (fn′)(f_n') converge uniformément sur JJ, le membre de droite tend vers 00 indépendamment de y∈J∖{x}y \in J \setminus \{x\}. La suite (ϕn)(\phi_n) vérifie le critère de Cauchy uniforme sur J∖{x}J \setminus \{x\}. Elle converge donc uniformément sur J∖{x}J \setminus \{x\} vers une fonction Φ\Phi. Comme fn→ff_n \to f simplement, on a nécessairement :
      ∀y≠x,Φ(y)=f(y)−f(x)y−x\boxed{\forall y \neq x, \Phi(y) = \frac{f(y) - f(x)}{y - x}}

    2. Chaque fonction ϕn\phi_n est prolongeable par continuité en xx par ϕn(x)=fn′(x)\phi_n(x) = f_n'(x). Puisque ϕn→Φ\phi_n \to \Phi uniformément sur J∖{x}J \setminus \{x\} et que chaque ϕn\phi_n admet une limite fn′(x)f_n'(x) en xx, et puisque la suite (fn′(x))(f_n'(x)) converge vers g(x)g(x), le théorème d'interversion des limites s'applique : La fonction Φ\Phi admet une limite en xx égale à lim⁡n→∞fn′(x)=g(x)\lim_{n \to \infty} f_n'(x) = g(x). Ainsi, ff est dérivable en xx et f′(x)=g(x)f'(x) = g(x).
      f′(x)=g(x)\boxed{f'(x) = g(x)}

Oublier l'hypothèse de convergence en un point.

La convergence uniforme des dérivées transfère la dérivabilité à la limite.