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Suites et séries de fonctions : cours de maths Licence L2 à télécharger en PDF

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Cours de maths en Licence L2 : Suites et séries de fonctions — Zyro, l’explorateur de Planète Maths

Une suite de nombres converge ou non ; une suite de fonctions offre bien plus de façons de converger. Ce chapitre précise les modes de convergence (simple, uniforme, normale) et montre pourquoi le plus fort d’entre eux permet de passer à la limite sous les symboles de continuité, d’intégrale et de dérivée. Il se conclut par un résultat remarquable : toute fonction continue sur un segment est limite uniforme de polynômes.

1. Convergence simple

Convergence simple

Soit \( I \) un intervalle et \( (f_n) \) une suite de fonctions de \( I \) dans \( \mathbb{R} \) (ou \( \mathbb{C} \)). On dit que \( (f_n) \) converge simplement vers \( f \) sur \( I \) si, pour chaque \( x\in I \), la suite numérique \( (f_n(x)) \) tend vers \( f(x) \). Formellement : \( \forall x\in I,\ \forall \varepsilon\gt 0,\ \exists N,\ \forall n\ge N,\ |f_n(x)-f(x)|\le\varepsilon \). Le rang \( N \) peut dépendre de \( x \).

Exemple 1 : les puissances de x

Sur \( [0,1] \), posons \( f_n(x)=x^n \). Si \( 0\le x\lt 1 \), alors \( x^n\to 0 \) ; si \( x=1 \), \( f_n(1)=1 \). La limite simple est donc la fonction \( f \) nulle sur \( [0,1[ \) et valant \( 1 \) en \( 1 \). Toutes les \( f_n \) sont continues, mais \( f \) ne l’est pas.

0.20.40.60.810.20.40.60.81f(1) = 1n = 1n = 2n = 5n = 15

Attention

La convergence simple est trop faible : elle ne transmet ni la continuité, ni l’intégrale, ni la dérivabilité. L’exemple précédent le montre pour la continuité.

2. Convergence uniforme

Convergence uniforme

La suite \( (f_n) \) converge uniformément vers \( f \) sur \( I \) si \( \|f_n-f\|_\infty=\sup_{x\in I}|f_n(x)-f(x)|\to 0 \). De façon équivalente : \( \forall\varepsilon\gt 0,\ \exists N,\ \forall n\ge N,\ \forall x\in I,\ |f_n(x)-f(x)|\le\varepsilon \). Le rang \( N \) ne dépend plus de \( x \) : le graphe de \( f_n \) tout entier se loge dans un « tube » de rayon \( \varepsilon \) autour de celui de \( f \).

Méthode : étudier la convergence uniforme

  1. Trouver la limite simple \( f \).
  2. Calculer ou majorer \( \|f_n-f\|_\infty \) (étude de fonction, inégalité).
  3. Si le majorant tend vers 0, la convergence est uniforme. Pour la réfuter, exhiber \( x_n\in I \) tel que \( |f_n(x_n)-f(x_n)| \) ne tend pas vers 0.
Exemple 2 : uniforme sur ℝ

Soit \( f_n(x)=\dfrac{x}{1+nx^2} \) sur \( \mathbb{R} \). La limite simple est \( 0 \). Comme \( 1+nx^2\ge 2\sqrt{n}\,|x| \) (inégalité \( a+b\ge 2\sqrt{ab} \)), on a \( |f_n(x)|\le \dfrac{1}{2\sqrt{n}} \), avec égalité en \( x=1/\sqrt{n} \). Donc \( \|f_n\|_\infty=\dfrac{1}{2\sqrt n}\to 0 \) : la convergence est uniforme.

0.511.522.530.10.20.30.40.50.6n = 1n = 4n = 16

Exemple 3 : puissances, suite

Sur \( [0,a] \) avec \( 0\lt a\lt 1 \), \( \|x^n\|_\infty=a^n\to 0 \) : convergence uniforme. Sur \( [0,1[ \), prenons \( x_n=2^{-1/n}\in[0,1[ \) : \( x_n^n=\tfrac12 \) ne tend pas vers 0, donc la convergence n’est pas uniforme. Elle l’est donc sur tout segment de \( [0,1[ \), mais pas sur \( [0,1[ \).

Propriété

Convergence uniforme \( \Rightarrow \) convergence simple (vers la même limite). La réciproque est fausse.

3. Continuité de la limite

Théorème (continuité)

Si les \( f_n \) sont continues sur \( I \) et convergent uniformément vers \( f \), alors \( f \) est continue sur \( I \).

Démonstration. Soit \( x_0\in I \) et \( \varepsilon\gt 0 \). Choisissons \( n \) tel que \( \|f_n-f\|_\infty\le\varepsilon/3 \), puis \( \delta\gt 0 \) tel que \( |x-x_0|\le\delta \Rightarrow |f_n(x)-f_n(x_0)|\le\varepsilon/3 \). Pour un tel \( x \) : \( |f(x)-f(x_0)|\le |f(x)-f_n(x)|+|f_n(x)-f_n(x_0)|+|f_n(x_0)-f(x_0)|\le\varepsilon \). \( \square \)

En contraposée : si les \( f_n \) sont continues et la limite simple est discontinue, la convergence n’est pas uniforme. C’est ce qui arrive à \( x^n \) sur \( [0,1] \).

Attention

La réciproque est fausse : les fonctions \( f_n(x)=n^2xe^{-nx} \) convergent simplement vers la fonction nulle (continue) sur \( [0,1] \), mais \( f_n(1/n)=n/e\to+\infty \) : pas de convergence uniforme.

4. Intégration et dérivation terme à terme

Théorème (intégration)

Si les \( f_n \) sont continues sur un segment \( [a,b] \) et convergent uniformément vers \( f \), alors \( \displaystyle\int_a^b f_n\to\int_a^b f \).

En effet \( \left|\int_a^b (f_n-f)\right|\le (b-a)\,\|f_n-f\|_\infty\to 0 \). L’hypothèse d’uniformité est essentielle : avec \( f_n(x)=n^2xe^{-nx} \) sur \( [0,1] \), le changement de variable \( u=nx \) donne
\[ \int_0^1 n^2xe^{-nx}\,dx=\int_0^n ue^{-u}\,du=1-(n+1)e^{-n}\longrightarrow 1\neq 0=\int_0^1 \lim f_n . \]

0.20.40.60.810.40.81.21.6n = 1n = 2n = 4

Théorème (dérivation)

Soit \( (f_n) \) une suite de fonctions de classe \( C^1 \) sur un intervalle \( I \). Si \( (f_n) \) converge simplement vers \( f \) et si \( (f_n') \) converge uniformément (sur tout segment de \( I \)) vers \( g \), alors \( f \) est de classe \( C^1 \) et \( f'=g \).

Attention

Il faut la convergence uniforme des dérivées. Les fonctions \( f_n(x)=\sin(nx)/n \) convergent uniformément vers 0, mais \( f_n'(x)=\cos(nx) \) ne converge pas en général (par exemple \( f_n'(\pi)=(-1)^n \)).

Exemple 4 : dérivation

Sur \( [0,\tfrac12] \), soit \( f_n(x)=x+\dfrac{x^n}{n} \). On a \( f_n\to f:x\mapsto x \) et \( f_n'(x)=1+x^{n-1}\to 1 \) uniformément car \( \|x^{n-1}\|_\infty=2^{-(n-1)}\to 0 \). Le théorème donne \( f'=1 \), ce qui est bien la dérivée de \( x\mapsto x \).

5. Séries de fonctions et convergence normale

Une série \( \sum u_n \) de fonctions converge simplement (resp. uniformément) lorsque la suite de ses sommes partielles \( S_n=u_0+\dots+u_n \) le fait. Avec le reste \( R_n=\sum_{k\gt n}u_k \), la convergence uniforme équivaut à : convergence simple et \( \|R_n\|_\infty\to 0 \).

Convergence normale

La série \( \sum u_n \) converge normalement sur \( I \) si la série numérique \( \sum \|u_n\|_\infty \) converge.

Propriété

Convergence normale \( \Rightarrow \) convergence uniforme et absolue \( \Rightarrow \) convergence simple. En effet \( |R_n(x)|\le\sum_{k\gt n}\|u_k\|_\infty \), reste d’une série convergente. Si \( \sum u_n \) converge uniformément, alors \( \|u_n\|_\infty\to 0 \).

Mode Condition Limite continue ? Intégrale sur un segment
simple \( f_n(x)\to f(x) \) pour tout \( x \) pas toujours pas toujours
uniforme \( \|f_n-f\|_\infty\to 0 \) oui oui
normale (séries) \( \sum\|u_n\|_\infty\lt\infty \) oui oui

6. Critère de Weierstrass

Critère de Weierstrass

S’il existe des réels \( M_n\ge 0 \) avec \( |u_n(x)|\le M_n \) pour tout \( x\in I \) et \( \sum M_n\lt\infty \), alors \( \sum u_n \) converge normalement sur \( I \).

Exemple 5 : série trigonométrique

Soit \( S(x)=\sum_{n\ge1}\dfrac{\sin(nx)}{n^2} \). Comme \( |\sin(nx)/n^2|\le 1/n^2 \) et \( \sum 1/n^2 \) converge, la série converge normalement sur \( \mathbb{R} \). Les termes sont continus : \( S \) est continue sur \( \mathbb{R} \), et \( |S(x)|\le\pi^2/6 \).

Les théorèmes des parties 3 et 4 s’étendent aux séries : si les \( u_n \) sont continues et \( \sum u_n \) converge uniformément sur un segment, la somme est continue et \( \int\sum u_n=\sum\int u_n \). Pour la dérivation, on suppose \( \sum u_n \) simplement convergente et \( \sum u_n' \) uniformément convergente sur tout segment.

Exemple 6 : intégration terme à terme

Sur \( [0,\tfrac12] \), \( \sum x^n \) converge normalement (\( M_n=2^{-n} \)) vers \( \dfrac1{1-x} \). Donc \( \displaystyle\ln 2=\int_0^{1/2}\frac{dx}{1-x}=\sum_{n\ge0}\frac{(1/2)^{n+1}}{n+1}=\sum_{k\ge1}\frac{1}{k\,2^k} \).

Attention

Sur \( ]-1,1[ \), la série \( \sum x^n \) ne converge pas normalement : \( \|x^n\|_\infty=1 \). Elle converge pourtant normalement sur tout segment \( [-a,a] \) avec \( a\lt 1 \).

7. Théorème de Dini

Théorème de Dini

Soit \( K \) un segment (ou un compact). Si les \( f_n \) sont continues sur \( K \), convergent simplement vers une fonction \( f \) continue sur \( K \), et si la suite \( (f_n(x)) \) est monotone pour chaque \( x \) (croissante pour tous les \( x \) ou décroissante pour tous), alors la convergence est uniforme.

Idée de la preuve. Dans le cas décroissant, posons \( g_n=f_n-f\ge 0 \) : suite décroissante de fonctions continues tendant simplement vers 0. Pour \( \varepsilon\gt 0 \), les ouverts \( U_n=\{g_n\lt\varepsilon\} \) sont emboîtés croissants et recouvrent \( K \). Par compacité, un seul suffit : \( U_N=K \), donc \( 0\le g_n\lt\varepsilon \) pour \( n\ge N \). \( \square \)

Exemple 7 : Dini en action

Soit \( f_n(x)=x^n(1-x) \) sur \( [0,1] \). La suite est décroissante en \( n \) (car \( 0\le x\le 1 \)), converge simplement vers la fonction nulle, continue. Dini donne la convergence uniforme, sans aucun calcul de borne supérieure.

Attention

Chaque hypothèse compte. Sur \( [0,1[ \) (non compact), \( x^n \) décroît vers 0 sans converger uniformément. Et si la limite n’est pas continue (cas de \( x^n \) sur \( [0,1] \)), le théorème ne s’applique pas.

8. Approximation de Weierstrass

Théorème de Weierstrass

Toute fonction continue \( f \) sur un segment \( [a,b] \) est limite uniforme d’une suite de fonctions polynomiales.

Sur \( [0,1] \), une construction explicite est fournie par les polynômes de Bernstein :
\[ B_n(f)(x)=\sum_{k=0}^{n} f\!\left(\frac kn\right)\binom nk x^k(1-x)^{n-k}, \qquad B_n(f)\to f \text{ uniformément.} \]
Le polynôme \( B_n(f) \) est une moyenne pondérée des valeurs \( f(k/n) \), les poids \( \binom nk x^k(1-x)^{n-k} \) se concentrant autour de \( k\approx nx \).

0.20.40.60.810.10.20.30.40.50.6f(x) = |x − 1/2|B₄(f)B₂₀(f)

Exemple 8 : Bernstein pour x²

Avec \( f(x)=x^2 \), les poids sont ceux de la loi binomiale de paramètres \( n \) et \( x \), dont la moyenne est \( nx \) et la variance \( nx(1-x) \). Ainsi \( B_n(f)(x)=\dfrac{nx(1-x)+n^2x^2}{n^2}=x^2+\dfrac{x(1-x)}{n} \) et \( \|B_n(f)-f\|_\infty=\dfrac1{4n}\to 0 \).

Astuce de Zyro

Sur ma planète, on dit qu’un polynôme est une « fonction de poche » : avec assez de degrés, il imite n’importe quelle courbe continue d’un segment. Mais le segment est indispensable : aucun polynôme ne tend vers 0 aux deux infinis comme le fait \( e^{-x^2} \) sur \( \mathbb{R} \).

À retenir

  • Simple : un rang \( N \) par point. Uniforme : un rang \( N \) pour tous les points, soit \( \|f_n-f\|_\infty\to 0 \).
  • Limite uniforme de fonctions continues : fonction continue ; passage à la limite sous une intégrale sur un segment.
  • Dérivation terme à terme : il faut la convergence uniforme des dérivées (sur les segments) et la convergence simple des fonctions.
  • Normale \( \Rightarrow \) uniforme \( \Rightarrow \) simple ; le critère de Weierstrass (\( |u_n|\le M_n \), \( \sum M_n\lt\infty \)) prouve la convergence normale.
  • Dini : sur un compact, suite monotone de fonctions continues convergeant simplement vers une limite continue : convergence uniforme.
  • Weierstrass : sur un segment, les polynômes approchent uniformément toute fonction continue (Bernstein).
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