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Soit I=[a,b]I = [a, b] un segment de R\mathbb{R} (a<ba < b). On note E=C0(I,R)E = \mathcal{C}^0(I, \mathbb{R}) l'espace des fonctions continues sur II à valeurs réelles, muni de la norme de la convergence uniforme \|\cdot\|_\infty.

Un endomorphisme LL de EE est dit positif si, pour toute fonction fEf \in E, on a l'implication :

xI,f(x)0    xI,L(f)(x)0\forall x \in I, f(x) \geq 0 \implies \forall x \in I, L(f)(x) \geq 0

Pour tout k{0,1,2}k \in \{0, 1, 2\}, on définit la fonction puissance ek:xxke_k : x \mapsto x^k.

  1. Soient fEf \in E et ε>0\varepsilon > 0. Montrer qu'il existe une constante C>0C > 0 telle que :
    (x,y)I2,f(x)f(y)ε+C(xy)2\forall (x, y) \in I^2,   |f(x) - f(y)| \leq \varepsilon + C(x - y)^2

  2. Soit LL un endomorphisme positif de EE.
    1. Montrer que LL est croissant, c'est-à-dire que pour toutes fonctions f,gEf, g \in E, si fgf \leq g, alors L(f)L(g)L(f) \leq L(g).
    2. En déduire que LL est un opérateur linéaire continu sur (E,)(E, \|\cdot\|_\infty) et exprimer une borne de sa norme d'opérateur en fonction de L(e0)L(e_0).

  3. Soit (Ln)nN(L_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite d'endomorphismes positifs de EE. On suppose que pour chaque k{0,1,2}k \in \{0, 1, 2\}, la suite (Ln(ek))(L_n(e_k)) converge uniformément vers eke_k sur II. Démontrer que pour toute fonction fEf \in E, la suite (Ln(f))(L_n(f)) converge uniformément vers ff sur II.

  4. Application : polynômes de Bernstein. On se place sur I=[0,1]I = [0, 1]. Pour fEf \in E, on définit le nn-ième polynôme de Bernstein de ff par :
    x[0,1],Bn(f)(x)=k=0nf(kn)(nk)xk(1x)nk\forall x \in [0, 1],   B_n(f)(x) = \sum_{k=0}^n f\left(\frac{k}{n}\right) \binom{n}{k} x^k (1-x)^{n-k}
    Montrer que pour toute fonction fC0([0,1],R)f \in \mathcal{C}^0([0, 1], \mathbb{R}), la suite (Bn(f))(B_n(f)) converge uniformément vers ff.

1.

Pour la question 1, utiliser le théorème de Heine sur la continuité uniforme de ff sur le compact II. Distinguer les cas xyδ|x-y| \leq \delta et xy>δ|x-y| > \delta.

2.

Pour la question 2.(b), utiliser l'encadrement fe0ffe0-\|f\|_\infty e_0 \leq f \leq \|f\|_\infty e_0.

3.

Pour la question 3, appliquer l'opérateur LnL_n à l'inégalité de la question 1 en fixant yy et en considérant ff comme une fonction de la variable xx.

4.

Pour la question 4, vérifier les conditions du théorème de Korovkin en calculant Bn(ek)B_n(e_k) pour k=0,1,2k=0, 1, 2. On pourra utiliser des identités sur la loi binomiale ou dériver la formule du binôme de Newton.

Idées clés

Continuité uniforme (Théorème de Heine)

Propriétés des opérateurs linéaires positifs (croissance)

Approximation par les polynômes de Bernstein

Résolution.

  1. Soit ε>0\varepsilon > 0. Puisque ff est continue sur le segment II, elle y est uniformément continue d'après le théorème de Heine. Il existe donc δ>0\delta > 0 tel que pour tout (x,y)I2(x, y) \in I^2, xyδ    f(x)f(y)ε|x-y| \leq \delta \implies |f(x)-f(y)| \leq \varepsilon.

    Par ailleurs, ff est bornée sur II par une constante M=fM = \|f\|_\infty. Si xy>δ|x-y| > \delta, on a :

    f(x)f(y)2M=2Mδ2δ2<2Mδ2(xy)2|f(x)-f(y)| \leq 2M = \frac{2M}{\delta^2} \delta^2 < \frac{2M}{\delta^2} (x-y)^2

    En posant C=2Mδ2C = \frac{2M}{\delta^2}, on obtient dans tous les cas :

    (x,y)I2,f(x)f(y)ε+C(xy)2\forall (x, y) \in I^2,   \boxed{|f(x) - f(y)| \leq \varepsilon + C(x - y)^2}

    1. Soient f,gEf, g \in E telles que fgf \leq g. Alors gf0g - f \geq 0. Par linéarité et positivité de LL, on a L(gf)=L(g)L(f)0L(g-f) = L(g) - L(f) \geq 0, d'où L(f)L(g)L(f) \leq L(g). L'opérateur LL est donc croissant.

    2. Pour toute fonction fEf \in E, on a l'encadrement :
      fe0ffe0-\|f\|_\infty e_0 \leq f \leq \|f\|_\infty e_0
      Par croissance de LL et linéarité (en remarquant que f\|f\|_\infty est un scalaire) :
      fL(e0)L(f)fL(e0)-\|f\|_\infty L(e_0) \leq L(f) \leq \|f\|_\infty L(e_0)
      On en déduit que pour tout xIx \in I, L(f)(x)fL(e0)(x)fL(e0)|L(f)(x)| \leq \|f\|_\infty \cdot |L(e_0)(x)| \leq \|f\|_\infty \|L(e_0)\|_\infty. En passant au sup sur xx, on obtient :
      L(f)L(e0)f\boxed{\|L(f)\|_\infty \leq \|L(e_0)\|_\infty \cdot \|f\|_\infty}
      L'opérateur LL est donc continu et sa norme subordonnée vérifie LL(e0)\|L\| \leq \|L(e_0)\|_\infty.

  2. Soit ε>0\varepsilon > 0 et fEf \in E. D'après la question 1, il existe C>0C > 0 tel que pour tout yIy \in I fixé :
    xI,εC(xy)2f(x)f(y)ε+C(xy)2\forall x \in I,   -\varepsilon - C(x-y)^2 \leq f(x) - f(y) \leq \varepsilon + C(x-y)^2
    Ceci se réécrit en termes de fonctions (la variable étant xx) :
    εe0C(e22ye1+y2e0)ff(y)e0εe0+C(e22ye1+y2e0)-\varepsilon e_0 - C(e_2 - 2y e_1 + y^2 e_0) \leq f - f(y) e_0 \leq \varepsilon e_0 + C(e_2 - 2y e_1 + y^2 e_0)
    Appliquons l'opérateur positif LnL_n. Par linéarité et croissance :
    εLn(e0)C[Ln(e2)2yLn(e1)+y2Ln(e0)]Ln(f)f(y)Ln(e0)-\varepsilon L_n(e_0) - C[L_n(e_2) - 2y L_n(e_1) + y^2 L_n(e_0)] \leq L_n(f) - f(y) L_n(e_0) \leq \dots
    En évaluant en x=yx=y, on obtient pour tout yIy \in I :
    Ln(f)(y)f(y)Ln(e0)(y)εLn(e0)(y)+C[Ln(e2)(y)2yLn(e1)(y)+y2Ln(e0)(y)]|L_n(f)(y) - f(y) L_n(e_0)(y)| \leq \varepsilon L_n(e_0)(y) + C[L_n(e_2)(y) - 2y L_n(e_1)(y) + y^2 L_n(e_0)(y)]
    Notons Un(y)=Ln(e2)(y)2yLn(e1)(y)+y2Ln(e0)(y)U_n(y) = L_n(e_2)(y) - 2y L_n(e_1)(y) + y^2 L_n(e_0)(y). Comme Ln(ek)unifekL_n(e_k) \xrightarrow{unif} e_k :
    Unnunife22e12+e12e0=e22e12+e2=0U_n \xrightarrow[n \to \infty]{unif} e_2 - 2e_1^2 + e_1^2 \cdot e_0 = e_2 - 2e_1^2 + e_2 = 0
    Ainsi, Ln(f)fLn(e0)εLn(e0)+CUn\|L_n(f) - f \cdot L_n(e_0)\|_\infty \leq \varepsilon \|L_n(e_0)\|_\infty + C \|U_n\|_\infty. Comme Ln(e0)1L_n(e_0) \to 1, pour nn assez grand, Ln(e0)2\|L_n(e_0)\|_\infty \leq 2 et Ln(f)fLn(e0)3ε\|L_n(f) - f \cdot L_n(e_0)\|_\infty \leq 3\varepsilon. Enfin, Ln(f)fLn(f)fLn(e0)+f(Ln(e0)e0)n0\|L_n(f) - f\|_\infty \leq \|L_n(f) - f L_n(e_0)\|_\infty + \|f(L_n(e_0) - e_0)\|_\infty \xrightarrow[n \to \infty]{} 0. On conclut que :
    Ln(f)nuniff\boxed{L_n(f) \xrightarrow[n \to \infty]{unif} f}

  3. Les opérateurs de Bernstein BnB_n sont clairement linéaires. De plus, si f0f \geq 0, alors Bn(f)B_n(f) est une somme de termes positifs car xk(1x)nk0x^k(1-x)^{n-k} \geq 0 sur [0,1][0, 1]. Donc BnB_n est positif. Calculons les images de e0,e1,e2e_0, e_1, e_2 :
    • Bn(e0)(x)=k=0n(nk)xk(1x)nk=(x+(1x))n=1B_n(e_0)(x) = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} x^k (1-x)^{n-k} = (x + (1-x))^n = 1.
    • Bn(e1)(x)=k=0nkn(nk)xk(1x)nk=k=1n(n1k1)xk(1x)nk=x(x+1x)n1=xB_n(e_1)(x) = \sum_{k=0}^n \frac{k}{n} \binom{n}{k} x^k (1-x)^{n-k} = \sum_{k=1}^n \binom{n-1}{k-1} x^k (1-x)^{n-k} = x(x+1-x)^{n-1} = x.
    • Un calcul similaire (ou via la variance d'une loi binomiale) donne Bn(e2)(x)=n1nx2+1nxB_n(e_2)(x) = \frac{n-1}{n}x^2 + \frac{1}{n}x.
    On constate que :
    Bn(e0)e0,Bn(e1)e1,Bn(e2)e2 uniformeˊment sur [0,1]B_n(e_0) \to e_0,   B_n(e_1) \to e_1,   B_n(e_2) \to e_2 \text{ uniformément sur } [0, 1]
    D'après le théorème de Korovkin démontré précédemment :
    fC0([0,1],R),Bn(f)uniff\boxed{\forall f \in \mathcal{C}^0([0, 1], \mathbb{R}),   B_n(f) \xrightarrow{unif} f}

Confondre la variable x et le paramètre y dans l'application de la linéarité positive.

La convergence uniforme sur {1, x, x^2} d'opérateurs positifs implique la convergence uniforme sur toute fonction continue.