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On considère l'espace vectoriel B(R+,C)\mathcal{B}(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}) des fonctions bornées de R+\mathbb{R}_+ dans C\mathbb{C}, muni de la norme de la convergence uniforme ∥⋅∥∞\|\cdot\|_{\infty}.

Soit VV le sous-espace vectoriel de B(R+,C)\mathcal{B}(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}) engendré par la famille de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} définies par :

∀x∈R+,fn(x)=e−nx\forall x \in \mathbb{R}_+,   f_n(x) = e^{-nx}

Déterminer l'adhérence V‾\overline{V} de VV dans B(R+,C)\mathcal{B}(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}).

1.

Effectuer un changement de variable t=e−xt = e^{-x} pour transformer le problème sur un intervalle compact.

2.

Identifier la nature des fonctions appartenant à VV via ce changement de variable.

3.

Utiliser le théorème d'approximation de Weierstrass pour les fonctions continues sur un segment.

4.

Caractériser les fonctions de B(R+,C)\mathcal{B}(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}) qui sont limites uniformes d'éléments de VV en examinant la continuité et la limite en +∞+\infty.

Idées clés

•

Changement de variable compactifiant : x↦e−xx \mapsto e^{-x} de [0,+∞[[0, +\infty[ vers ]0,1]]0, 1].

•

Théorème d'approximation de Weierstrass.

•

Prolongement par continuité sur un segment.

Résolution.

Soit f∈Vf \in V. Par définition, ff est une combinaison linéaire finie des fonctions fnf_n. Il existe donc un entier N∈NN \in \mathbb{N} et des coefficients (a0,…,aN)∈CN+1(a_0, \dots, a_N) \in \mathbb{C}^{N+1} tels que :

∀x∈R+,f(x)=∑n=0Nan(e−x)n\forall x \in \mathbb{R}_+,   f(x) = \sum_{n=0}^N a_n (e^{-x})^n

On remarque que si l'on pose P=∑n=0NanXn∈C[X]P = \sum_{n=0}^N a_n X^n \in \mathbb{C}[X], alors :

∀x∈R+,f(x)=P(e−x)\forall x \in \mathbb{R}_+,   f(x) = P(e^{-x})

Considérons l'application φ:x↦e−x\varphi : x \mapsto e^{-x}. Elle réalise une bijection de [0,+∞[[0, +\infty[ sur ]0,1]]0, 1]. Les éléments de VV sont les fonctions de la forme P∘φP \circ \varphi, où PP est un polynôme.

Soit Clim\mathcal{C}_{lim} l'ensemble des fonctions g∈C0(R+,C)g \in \mathcal{C}^0(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}) possédant une limite finie en +∞+\infty. Montrons que V‾=Clim\overline{V} = \mathcal{C}_{lim}.

Étape 1 : V‾⊂Clim\overline{V \subset \mathcal{C}_{lim}}

Toute fonction fnf_n est continue sur R+\mathbb{R}_+ et admet une limite finie en +∞+\infty (1 si n=0n=0, 0 si n≥1n \ge 1). Ainsi, V⊂ClimV \subset \mathcal{C}_{lim}.

Or, Clim\mathcal{C}_{lim} est un sous-espace fermé de (B(R+,C),∥⋅∥∞)(\mathcal{B}(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}), \|\cdot\|_{\infty}). En effet, la continuité est préservée par convergence uniforme, et l'existence d'une limite finie en l'infini l'est également (propriété classique des espaces de fonctions).

Par conséquent, par définition de l'adhérence :

V‾⊂Clim\boxed{\overline{V} \subset \mathcal{C}_{lim}}

Étape 2 : Clim⊂V‾\mathcal{C_{lim} \subset \overline{V}}

Soit h∈Climh \in \mathcal{C}_{lim}. On souhaite montrer que hh est limite uniforme d'éléments de VV. Posons la fonction gg définie sur ]0,1]]0, 1] par :

∀t∈]0,1],g(t)=h(−ln⁡t)\forall t \in ]0, 1],   g(t) = h(-\ln t)

Puisque hh est continue sur [0,+∞[[0, +\infty[, gg est continue sur ]0,1]]0, 1]. De plus, quand t→0+t \to 0^+, alors −ln⁡t→+∞-\ln t \to +\infty. Comme hh admet une limite finie en +∞+\infty, la fonction gg admet une limite finie en 0+0^+.

On peut donc prolonger gg par continuité en 00 en posant g(0)=lim⁡x→+∞h(x)g(0) = \lim_{x \to +\infty} h(x). La fonction gg ainsi prolongée est continue sur le segment [0,1][0, 1].

D'après le théorème de Weierstrass, il existe une suite de polynômes (Pn)(P_n) convergeant uniformément vers gg sur [0,1][0, 1] :

∀ε>0,∃N∈N,∀n≥N,sup⁡t∈[0,1]∣g(t)−Pn(t)∣≤ε\forall \varepsilon > 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall n \ge N, \sup_{t \in [0, 1]} |g(t) - P_n(t)| \le \varepsilon

En revenant à la variable xx par le changement t=e−xt = e^{-x}, on a :

sup⁡x∈[0,+∞[∣g(e−x)−Pn(e−x)∣=sup⁡t∈]0,1]∣g(t)−Pn(t)∣≤ε\sup_{x \in [0, +\infty[} |g(e^{-x}) - P_n(e^{-x})| = \sup_{t \in ]0, 1]} |g(t) - P_n(t)| \le \varepsilon

Comme g(e−x)=h(x)g(e^{-x}) = h(x) et que x↦Pn(e−x)x \mapsto P_n(e^{-x}) appartient à VV, on en déduit que hh est limite uniforme d'éléments de VV. D'où :

Clim⊂V‾\boxed{\mathcal{C}_{lim} \subset \overline{V}}

Conclusion :

V‾={f∈C0(R+,C)∣lim⁡x→+∞f(x) existe et est finie}\boxed{\overline{V} = \{ f \in \mathcal{C}^0(\mathbb{R}_+, \mathbb{C}) \mid \lim_{x \to +\infty} f(x) \text{ existe et est finie} \}}

Oublier que la limite en l'infini est nécessaire pour l'approximation.

Utiliser un changement de variable pour se ramener à un segment compact.