David Madore's WebLog: Un petit exercice d'Analyse (moyenner une fonction)

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(vendredi)

Un petit exercice d'Analyse (moyenner une fonction)

Un petit exercice d'Analyse pas très difficile (j'en ai traité un bout avec mes élèves à Télécom Paris), mais que je trouve amusant :

Soit f:ℝ/ℤ→ℝ (c'est-à-dire : une fonction réelle de la variable réelle qui soit 1-périodique) ; on note N(f) la fonction définie comme la moyenne arithmétique des N translatées de f par des multiples de 1/N, c'est-à-dire : (N(f))(x) = (1/N) · ∑k∈{0,…,N−1} f(x+k/N) ; et, si f est intégrable (c'est-à-dire, intégrable sur une période), soit (f) la fonction constante égale à l'intégrale ∫ℝ/ℤ f de f (sur une période). On se demande dans quelle mesure N(f) tend vers (f) quand N tend vers +∞ :

(Indication : montrer la convergence uniforme — qui entraîne donc la convergence Lp pour un p quelconque — pour une fonction en escalier ; il suffit pour ça de la montrer pour la fonction indicatrice d'un intervalle [0;c[ de ℝ/ℤ.)

Dans le cas p=2, il y a une jolie démonstration en regardant les séries de Fourier (l'effet de N est de décimer la série de Fourier).

On pourra aussi montrer que N ne tend pas vers en tant qu'opérateur (i.e., pour la norme).

Bref, je sais faire ça, mais j'ai quand même l'impression de manquer de recul sur la question : qu'il doit y avoir une façon plus élégante et plus générale d'inscrire ces résultats dans un contexte plus éclairant. D'ailleurs, la deuxième partie me surprend beaucoup, j'étais tellement persuadé que le résultat aurait dû être l'affirmation plus faible si f est Riemann-intégrable, alors N(f) tend vers (f) ponctuellement, et si f est réglée, alors la convergence est uniforme que j'ai cherché en vain à trouver une erreur dans mon raisonnement (j'ai fini par me convaincre qu'il était bien correct, mais j'ai toujours la sensation déplaisante d'avoir mal compris quelque chose d'important).

Pour mémoire, une fonction f est dite réglée (ou parfois Dieudonné-intégrable) lorsque pour tout ε>0 il existe une fonction en escalier h telle qu'on ait partout |fh|≤ε (i.e., f est uniformément approchable par les fonctions en escalier) ; cela équivaut à dire qu'elle admet en tout point une limite à gauche et une limite à droite (finies). • Une fonction f est dite Riemann-intégrable lorsque pour tout ε>0 il existe des fonctions en escalier h et ψ telles qu'on ait partout |fh|≤ψ, avec ∫ψε (i.e., f est approchable par les fonctions en escalier avec une erreur uniformément contrôlée par une fonction en escalier elle-même de norme 1 arbitrairement petite) ; cela équivaut à dire que f est bornée et que son ensemble de points de discontinuités est Lebesgue-négligeable. • Pour comparaison, si fonction f est Lebesgue-intégrable, pour tout ε>0 il existe une fonction en escalier h telle que ∫|fh|≤ε (i.e., f est approchable au sens L¹ par les fonctions en escalier). • J'aime bien présenter ces trois propriétés côte à côte, cela aide à situer la notion d'intégrabilité au sens de Riemann entre celle de fonction réglée et celle d'intégrabilité au sens de Lebesgue. Cela devrait peut-être expliquer pourquoi j'avais l'intuition qu'on aurait besoin de f réglée pour pouvoir conclure à la convergence uniforme de N(f) vers (f).

Ajout : voir aussi cette question pour une « suite » de cet exercice.

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