Suites et séries de fonctions : convergence simple et uniforme
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Suites et séries de fonctions : convergence simple et uniforme
### 1. Convergence simple
Soit une suite de fonctions définies sur un intervalle . On dit que converge simplement vers si, pour chaque fixé, la suite numérique converge vers :
Le point clé : le rang peut dépendre à la fois de et de . C'est une convergence « point par point », qui ne contrôle pas la vitesse de convergence uniformément sur .
Exemple classique : sur . Pour , . Pour , . La suite converge simplement vers la fonction définie par si et : chaque est continue, mais la limite simple ne l'est pas — la convergence simple ne préserve pas la continuité.
### 2. Convergence uniforme
converge uniformément vers sur si le rang peut être choisi indépendamment de :
De façon équivalente, en posant :
Méthode pratique : pour étudier la convergence uniforme, on calcule (ou on majore) et on regarde si cette quantité tend vers .
La convergence uniforme implique la convergence simple, mais la réciproque est fausse (cf. exemple ci-dessus, où la convergence n'est pas uniforme sur , alors qu'elle est simple).
Exemple résolu : sur . Convergence simple : pour fixé, . Convergence uniforme : on cherche . En dérivant, s'annule en , où . Donc : la convergence est uniforme sur .
### 3. Critère de Cauchy uniforme
converge uniformément sur (vers une certaine limite ) si et seulement si elle vérifie le critère de Cauchy uniforme :
Ce critère est très utile car il permet de prouver la convergence uniforme sans connaître explicitement la limite — exactement comme le critère de Cauchy pour les suites numériques.
### 4. Propriétés transmises par la convergence uniforme
Si converge uniformément vers sur , et si chaque vérifie une certaine propriété, alors la vérifie aussi, dans les cas suivants :
- Continuité : si chaque est continue sur , alors est continue sur .
- Limite et interversion : si est une extrémité de et que existe pour chaque , alors (les deux limites s'intervertissent).
- Intégration sur un segment : si chaque est continue sur , alors .
- Dérivation (plus délicat) : si converge simplement vers , que chaque est , et que converge uniformément vers une fonction , alors est et .
Contre-exemple sans uniformité (continuité non préservée) : reprendre sur : la convergence est simple mais non uniforme, et la limite n'est pas continue en . Ceci illustre que l'hypothèse d'uniformité est essentielle, pas une simple commodité technique.
### 5. Séries de fonctions : convergence simple, uniforme, normale
Pour une série de fonctions , on définit les sommes partielles .
- Convergence simple de la série : pour chaque , la suite numérique converge.
- Convergence uniforme de la série : la suite de fonctions converge uniformément vers la somme .
- Convergence normale (critère le plus utilisé en pratique) : la série converge (où ).
Théorème : convergence normale convergence uniforme convergence simple. (Les implications réciproques sont fausses en général.)
Exemple résolu : sur . On a pour tout , donc . Comme converge (série de Riemann, exposant ), la série converge normalement, donc uniformément, donc simplement, sur . Par le théorème de continuité, sa somme est continue sur .
### 6. Résumé méthodologique
| Type de convergence | Définition clé | Implique |
|---|---|---|
| Simple | dépend de et | — |
| Uniforme | ne dépend que de ; | convergence simple, continuité, intégration terme à terme |
| Normale (séries) | converge | convergence uniforme |
Exercices
Quelle est la différence essentielle entre convergence simple et convergence uniforme d'une suite de fonctions ?
Vrai ou faux : la convergence uniforme implique la convergence simple.
Quelle quantité doit tendre vers pour avoir convergence uniforme de vers sur ?
Pour sur , vers quelle fonction converge-t-elle simplement ?
Quelle propriété la convergence uniforme transmet-elle, que la convergence simple ne transmet pas en général ?
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