Soit E=C0([0,1],R)E = \mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}) l'espace des fonctions réelles continues sur le segment [0,1][0,1]. On note P=R[X]P = \mathbb{R}[X] le sous-espace vectoriel des fonctions polynomiales.

Pour une fonction fEf \in E fixée, on se propose d'étudier les deux quantités suivantes :

  1. Déterminer la valeur de la borne supérieure :
    S1=sup{01f(t)p(t)dtpP,01p(t)dt1}S_1 = \sup \left\{ \int_{0}^{1} f(t)p(t)   \mathrm{d}t \mid p \in P, \int_{0}^{1} |p(t)|   \mathrm{d}t \leq 1 \right\}

  2. Déterminer la valeur de la borne supérieure :
    S2=sup{01f(t)p(t)dtpP,maxt[0,1]p(t)1}S_2 = \sup \left\{ \int_{0}^{1} f(t)p(t)   \mathrm{d}t \mid p \in P, \max_{t \in [0,1]} |p(t)| \leq 1 \right\}

1.

Pour la première question, utiliser l'inégalité de Hölder pour obtenir une majoration par f\|f\|_\infty. Pour montrer que c'est la borne supérieure, construire une suite de polynômes "pics" (diracs approchés) au voisinage d'un point où ff atteint son maximum.

2.

Pour la seconde question, majorer l'intégrale par f1\|f\|_1. Pour l'approche de la borne, considérer la fonction signe de ff et utiliser le théorème de Stone-Weierstrass après une approximation par une fonction continue.

Idées clés

Inégalités de normes : 1\| \cdot \|_1 et \| \cdot \|_\infty sur C0([0,1],R)\mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}).

Densité de PP dans (C0([0,1],R),)(\mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}), \| \cdot \|_\infty) par le théorème de Stone-Weierstrass.

Densité de PP dans (C0([0,1],R),1)(\mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}), \| \cdot \|_1).

Question 1 : Calcul de S1S_1.

Soit pPp \in P tel que p1=01p(t)dt1\|p\|_1 = \int_0^1 |p(t)|   \mathrm{d}t \leq 1. Par l'inégalité de Hölder (ou une majoration directe) :

01f(t)p(t)dt01f(t)p(t)dtf01p(t)dt\left| \int_0^1 f(t)p(t)   \mathrm{d}t \right| \leq \int_0^1 |f(t)| \cdot |p(t)|   \mathrm{d}t \leq \|f\|_\infty \int_0^1 |p(t)|   \mathrm{d}t

Comme p11\|p\|_1 \leq 1, on en déduit immédiatement :

01f(t)p(t)dtf\int_0^1 f(t)p(t)   \mathrm{d}t \leq \|f\|_\infty

Ainsi, S1fS_1 \leq \|f\|_\infty. Montrons que cette borne est optimale.

Soit t0[0,1]t_0 \in [0,1] tel que f(t0)=f|f(t_0)| = \|f\|_\infty. Quitte à remplacer ff par f-f, on suppose f(t0)=ff(t_0) = \|f\|_\infty. Soit ϵ>0\epsilon > 0. Par continuité de ff, il existe un intervalle II (voisinage de t0t_0 dans [0,1][0,1]) de longueur δ>0\delta > 0 tel que pour tout tIt \in I, f(t)fϵf(t) \geq \|f\|_\infty - \epsilon.

On peut construire une fonction gEg \in E continue, positive, de support inclus dans II et telle que 01g(t)dt=1\int_0^1 g(t)   \mathrm{d}t = 1. Alors :

01f(t)g(t)dt=If(t)g(t)dt(fϵ)Ig(t)dt=fϵ\int_0^1 f(t)g(t)   \mathrm{d}t = \int_I f(t)g(t)   \mathrm{d}t \geq (\|f\|_\infty - \epsilon) \int_I g(t)   \mathrm{d}t = \|f\|_\infty - \epsilon

Par densité de PP dans (E,1)(E, \| \cdot \|_1), il existe pPp \in P tel que pg1ϵ\|p - g\|_1 \leq \epsilon. On peut ajuster pp pour que p11\|p\|_1 \leq 1 (en divisant par p1\|p\|_1). On obtient alors une valeur de l'intégrale arbitrairement proche de f\|f\|_\infty.

S1=f=maxt[0,1]f(t)\boxed{ S_1 = \|f\|_\infty = \max_{t \in [0,1]} |f(t)| }

Question 2 : Calcul de S2S_2.

Soit pPp \in P tel que p=maxt[0,1]p(t)1\|p\|_\infty = \max_{t \in [0,1]} |p(t)| \leq 1. On a :

01f(t)p(t)dt01f(t)p(t)dtp01f(t)dt\left| \int_0^1 f(t)p(t)   \mathrm{d}t \right| \leq \int_0^1 |f(t)| \cdot |p(t)|   \mathrm{d}t \leq \|p\|_\infty \int_0^1 |f(t)|   \mathrm{d}t

D'où S2f1=01f(t)dtS_2 \leq \|f\|_1 = \int_0^1 |f(t)|   \mathrm{d}t.

Pour montrer que S2=f1S_2 = \|f\|_1, on cherche pp proche de sgn(f)\text{sgn}(f). La fonction s:tsgn(f(t))s : t \mapsto \text{sgn}(f(t)) n'est pas nécessairement continue.

Cependant, pour tout ϵ>0\epsilon > 0, il existe une fonction continue gEg \in E telle que g1\|g\|_\infty \leq 1 et 01g(t)sgn(f(t))f(t)dtϵ\int_0^1 |g(t) - \text{sgn}(f(t))| \cdot |f(t)|   \mathrm{d}t \leq \epsilon. (Ceci provient de la densité des fonctions continues dans L1L^1, ou d'une construction explicite en "raccordant" les signes sur des petits intervalles autour des zéros de ff).

Pour une telle fonction gg, on a :

01f(t)g(t)dt=01f(t)dt01f(t)(sgn(f(t))g(t))dtf1ϵ\int_0^1 f(t)g(t)   \mathrm{d}t = \int_0^1 |f(t)|   \mathrm{d}t - \int_0^1 f(t)(\text{sgn}(f(t)) - g(t))   \mathrm{d}t \geq \|f\|_1 - \epsilon

D'après le théorème de Stone-Weierstrass, il existe pPp \in P tel que pgϵ\|p - g\|_\infty \leq \epsilon. Quitte à diviser par 1+ϵ1+\epsilon, on peut supposer p1\|p\|_\infty \leq 1. Alors l'intégrale 01fp\int_0^1 fp peut être rendue arbitrairement proche de f1\|f\|_1.

S2=f1=01f(t)dt\boxed{ S_2 = \|f\|_1 = \int_0^1 |f(t)|   \mathrm{d}t }

Vouloir atteindre le maximum dans un espace de dimension infinie sans compacité.

Le lien entre les normes L1 et Linfini à travers les suprema d'intégrales.