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Niveau LicenceMaths 2e/3e a
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Convergence uniforme

Posté par
coa347
15-06-19 à 15:22

Bonjour,

Je bute sur cet exercice : montrer la convergence simple et uniforme de la suite de fonctions :  f_n(x)=e^{-nx}-(1-x)^n, sur [0,1], n \in N.

La convergence simple est évidente. Pour la convergence uniforme, j'ai fait une étude de fonction pour f_n, n fixé, puis de sa dérivée, puis encore d'une autre fonction. J'obtiens une majoration indépendante de x qui tend vers 0. Je me demande s'il n'y a pas plus simple.

Merci d'avance.

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 18:25

Bonjour coa314 ,


\large \boxed{0} tu peux commencer par établir que \Large \boxed{\forall x\in\mathbb R~,~0\leqslant e^{-x}-(1-x)\leqslant\frac{x^2}{2}}.


\large \boxed{1} d'où \Large \boxed{\forall n\in\mathbb N^*~,~\forall x\in[0,1]~,~0\leqslant f_n(x)=(e^{-x}-(1-x))\sum_{k=0}^{n-1}(e^{-x})^k(1-x)^{n-1-k}\leqslant\frac{e}{2}nx^2e^{-nx}}.


et une petite étude montre alors que \Large \boxed{\forall n\in\mathbb N^*~,~\forall x\in[0,1]~,~0\leqslant f_n(x)\leqslant\frac{2}{en}} sauf erreur bien entendu

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 18:27

Bonjour coa347
Tu peux déjà noter qu'il y a convergence uniforme sur tout ouvert inclus dans [0,1] car les deux fonctions qui composent la somme sont uniformément convergentes sur les mêmes ouverts.

Posté par
coa347
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:09

Bonsoir,
elhor_abdelali Super, merci beaucoup. C'est plus simple et plus rapide en effet. Avec mes fonctions, j'étais arrivée à la majoration \dfrac{1}{ne}.

jsvdb Tu veux dire sur tout fermé inclus dans [0,1], car ]0,1[ est un ouvert inclus dans [0,1], et la fonction x \mapsto e^{-nx} n'est pas uniformément convergente sur cet ouvert, car elle converge simplement vers la fonction nulle, et \sup_{]0,1[} |e^{-nx}|=1 ?

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:15

Oui, au temps pour moi, il s'agit effectivement de tout ouvert (ou tout fermé) fortement inclus dans [0,1], donc de la forme |a,b| tels que 0 < a < b < 1.

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:18

Cela dit, tu peux oublier ma méthode car elhor_abdelali a tout dit ... même si ce n'est pas ce qui vient spontanément à l'esprit.

Posté par
coa347
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:21

Merci jsvdb. Les fonctions f_n convergent uniformément sur tout fermé inclus dans [0,1], mais dans tous les cas, on ne peut pas en déduire qu'elles convergent uniformément sur [0,1].

Posté par
coa347
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:23

Nos messages se sont croisés. Sa méthode est élégante en tout cas, disons qu'il faut oser faire un calcul direct.

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 15-06-19 à 23:33

Cela dit, je me permets de montrer ce que j'ai fait :

f'_n(x) = n((1-x)^{n-1}-e^{-nx})

Donc f'_n s'annule en un point x_n\in ]0;1[ (à vérifier) tel que (1-x_n)^{n-1}=e^{-nx_n}

En un tel point, il vient ceci :

f_n(x_n) = x_n(1-x_n)^{n-1} qui est clairement une quantité positive qui tend vers 0 quand n tend vers +.

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 16-06-19 à 00:34

Il faut rajouter qu'il reste l'objection que x_n ne soit pas un point de maximum, mais juste un point d'inflexion de f_n.

Réponse : montrer que x_n est l'unique point où f'_n s'annule sur [0,1] et conclure dans ce cas que, f_n n'ayant pas de max local et que f_n(0) = 0, on a que le max de f_n est alors atteint en 1.

Comme f_n(1) = e^{-n}, on peut alors à nouveau conclure à la convergence uniforme.

Posté par
jsvdb
re : Convergence uniforme 16-06-19 à 00:37

Erratum :

montrer que x_n est l'unique point où f'_n s'annule sur ]0,1[

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Convergence uniforme 16-06-19 à 03:15

une petite coquille


\large \boxed{0} lire plutôt \Large \boxed{\forall x\in\mathbb R_{\red+}~,~0\leqslant e^{-x}-(1-x)\leqslant\frac{x^2}{2}}


Bonjour jsvdb

Posté par
coa347
re : Convergence uniforme 16-06-19 à 10:29

Bonjour jsvdb,

Une étude de la fonction f'_n, ou plutôt de la fonction g_n(x)=(n-1) \ln (1-x) + nx qui est de même signe que  f'_n montre que x_n \in [\dfrac{1}{n}, 1 [.
On a : f_n(x_n)=x_n e^{-nx_n}. Une nouvelle étude de la fonction x \mapsto x e^{-nx} sur [\dfrac{1}{n}, 1 [ montre que le maximum de cette fonction est atteint en \dfrac{1}{n} où elle prend la valeur  \dfrac{1}{ne}.
On en déduit :  \forall n \in N^*, \forall x \in [0,1], 0 \leq f_n(x) \leq f_n(x_n) \leq \dfrac{1}{ne}, qui tend vers 0.

On peut obtenir une majoration un peu meilleure encore avec la formule de elhor_abdelali pour n grand : \dfrac{2n}{(e(n-1))^2} .

Posté par
coa347
re : Convergence uniforme 16-06-19 à 10:32

Par étude de la fonction g_n ,  on a que  x_n est bien un point de maximum de f_n(x).



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