Licence 2Analyse

Suites et séries de fonctions : convergence simple et uniforme

60 min15 exercicesSéquence 4.4Licence 2

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Durée : 60 min

Suites et séries de fonctions : convergence simple et uniforme

### 1. Convergence simple

Soit (fn)nN(f_n)_{n\in\mathbb{N}} une suite de fonctions définies sur un intervalle II. On dit que (fn)(f_n) converge simplement vers f:IRf : I \to \mathbb{R} si, pour chaque xIx \in I fixé, la suite numérique (fn(x))n(f_n(x))_n converge vers f(x)f(x) :

xI,  ε>0,  N(ε,x)N,  nN(ε,x),  fn(x)f(x)<ε\forall x \in I,\; \forall \varepsilon>0,\; \exists N(\varepsilon, x) \in \mathbb{N},\; \forall n \geq N(\varepsilon,x),\; |f_n(x)-f(x)|<\varepsilon

Le point clé : le rang NN peut dépendre à la fois de ε\varepsilon et de xx. C'est une convergence « point par point », qui ne contrôle pas la vitesse de convergence uniformément sur II.

Exemple classique : fn(x)=xnf_n(x) = x^n sur I=[0,1]I=[0,1]. Pour x[0,1[x\in[0,1[, fn(x)0f_n(x)\to 0. Pour x=1x=1, fn(1)=11f_n(1)=1\to 1. La suite converge simplement vers la fonction ff définie par f(x)=0f(x)=0 si x<1x<1 et f(1)=1f(1)=1 : chaque fnf_n est continue, mais la limite simple ff ne l'est pas — la convergence simple ne préserve pas la continuité.

### 2. Convergence uniforme

(fn)(f_n) converge uniformément vers ff sur II si le rang NN peut être choisi indépendamment de xx :

ε>0,  N(ε)N,  nN(ε),  xI,  fn(x)f(x)<ε\forall \varepsilon>0,\; \exists N(\varepsilon) \in \mathbb{N},\; \forall n \geq N(\varepsilon),\; \forall x \in I,\; |f_n(x)-f(x)|<\varepsilon

De façon équivalente, en posant fnf=supxIfn(x)f(x)\|f_n-f\|_\infty = \displaystyle\sup_{x\in I} |f_n(x)-f(x)| :

(fn) converge uniformeˊment vers f    fnfn+0(f_n) \text{ converge uniformément vers } f \iff \|f_n-f\|_\infty \xrightarrow[n\to+\infty]{} 0

Méthode pratique : pour étudier la convergence uniforme, on calcule (ou on majore) supxIfn(x)f(x)\sup_{x\in I}|f_n(x)-f(x)| et on regarde si cette quantité tend vers 00.

La convergence uniforme implique la convergence simple, mais la réciproque est fausse (cf. exemple xnx^n ci-dessus, où la convergence n'est pas uniforme sur [0,1][0,1], alors qu'elle est simple).

Exemple résolu : fn(x)=x1+nx2f_n(x) = \dfrac{x}{1+nx^2} sur I=RI=\mathbb{R}. Convergence simple : pour xx fixé, fn(x)0f_n(x) \to 0. Convergence uniforme : on cherche supxRfn(x)\sup_{x\in\mathbb{R}} |f_n(x)|. En dérivant, fn(x)=1nx2(1+nx2)2f_n'(x) = \dfrac{1-nx^2}{(1+nx^2)^2} s'annule en x=±1nx=\pm\dfrac{1}{\sqrt n}, où fn(x)=1/n2=12n|f_n(x)| = \dfrac{1/\sqrt n}{2} = \dfrac{1}{2\sqrt n}. Donc fn0=12n0\|f_n-0\|_\infty = \dfrac{1}{2\sqrt n} \to 0 : la convergence est uniforme sur R\mathbb{R}.

### 3. Critère de Cauchy uniforme

(fn)(f_n) converge uniformément sur II (vers une certaine limite ff) si et seulement si elle vérifie le critère de Cauchy uniforme :

ε>0,  NN,  p,qN,  xI,  fp(x)fq(x)<ε\forall \varepsilon>0,\; \exists N \in \mathbb{N},\; \forall p,q \geq N,\; \forall x \in I,\; |f_p(x)-f_q(x)| < \varepsilon

Ce critère est très utile car il permet de prouver la convergence uniforme sans connaître explicitement la limite ff — exactement comme le critère de Cauchy pour les suites numériques.

### 4. Propriétés transmises par la convergence uniforme

Si (fn)(f_n) converge uniformément vers ff sur II, et si chaque fnf_n vérifie une certaine propriété, alors ff la vérifie aussi, dans les cas suivants :

- Continuité : si chaque fnf_n est continue sur II, alors ff est continue sur II.
- Limite et interversion : si x0x_0 est une extrémité de II et que limxx0fn(x)=n\lim_{x\to x_0} f_n(x) = \ell_n existe pour chaque nn, alors limxx0limnfn(x)=limnlimxx0fn(x)\displaystyle\lim_{x\to x_0}\lim_{n\to\infty} f_n(x) = \lim_{n\to\infty}\lim_{x\to x_0} f_n(x) (les deux limites s'intervertissent).
- Intégration sur un segment : si chaque fnf_n est continue sur [a,b][a,b], alors abfn(x)dxabf(x)dx\displaystyle\int_a^b f_n(x)\,dx \to \int_a^b f(x)\,dx.
- Dérivation (plus délicat) : si (fn)(f_n) converge simplement vers ff, que chaque fnf_n est C1C^1, et que (fn)(f_n') converge uniformément vers une fonction gg, alors ff est C1C^1 et f=gf'=g.

Contre-exemple sans uniformité (continuité non préservée) : reprendre fn(x)=xnf_n(x)=x^n sur [0,1][0,1] : la convergence est simple mais non uniforme, et la limite ff n'est pas continue en 11. 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 nun(x)\displaystyle\sum_{n} u_n(x), on définit les sommes partielles SN(x)=n=0Nun(x)S_N(x) = \displaystyle\sum_{n=0}^N u_n(x).

- Convergence simple de la série : pour chaque xx, la suite numérique (SN(x))N(S_N(x))_N converge.
- Convergence uniforme de la série : la suite de fonctions (SN)(S_N) converge uniformément vers la somme SS.
- Convergence normale (critère le plus utilisé en pratique) : la série nun\displaystyle\sum_n \|u_n\|_\infty converge (où un=supxIun(x)\|u_n\|_\infty = \sup_{x\in I}|u_n(x)|).

Théorème : convergence normale \Rightarrow convergence uniforme \Rightarrow convergence simple. (Les implications réciproques sont fausses en général.)

Exemple résolu : n1sin(nx)n2\displaystyle\sum_{n\geq 1} \dfrac{\sin(nx)}{n^2} sur R\mathbb{R}. On a sin(nx)n21n2\left|\dfrac{\sin(nx)}{n^2}\right| \leq \dfrac{1}{n^2} pour tout xx, donc un1n2\|u_n\|_\infty \leq \dfrac{1}{n^2}. Comme 1n2\displaystyle\sum \dfrac{1}{n^2} converge (série de Riemann, exposant 2>12>1), la série converge normalement, donc uniformément, donc simplement, sur R\mathbb{R}. Par le théorème de continuité, sa somme est continue sur R\mathbb{R}.

### 6. Résumé méthodologique

| Type de convergence | Définition clé | Implique |
|---|---|---|
| Simple | NN dépend de xx et ε\varepsilon | — |
| Uniforme | NN ne dépend que de ε\varepsilon ; fnf0\|f_n-f\|_\infty\to 0 | convergence simple, continuité, intégration terme à terme |
| Normale (séries) | un\sum \|u_n\|_\infty 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 00 pour avoir convergence uniforme de (fn)(f_n) vers ff sur II ?

Pour fn(x)=xnf_n(x)=x^n sur [0,1][0,1], vers quelle fonction (fn)(f_n) converge-t-elle simplement ?

Quelle propriété la convergence uniforme transmet-elle, que la convergence simple ne transmet pas en général ?

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