Suites de fonctions exercices corrigés

Cette page propose dix exercices corrigés sur les suites de fonctions, couvrant l'ensemble du programme de classes préparatoires (MPSI, PCSI, MP, PSI). Vous y trouverez des exercices progressifs allant de l'étude de la convergence simple à la convergence uniforme, en passant par l'interversion de la limite et de l'intégrale ainsi que la régularité de la fonction limite (continuité, dérivabilité). Chaque exercice est accompagné d'une indication pédagogique et d'un corrigé complet rédigé pas à pas. La maîtrise de ces notions (notamment la norme sup, le critère de Cauchy uniforme et le théorème de convergence dominée) est indispensable pour réussir les oraux et écrits des concours. Ces exercices prolongent le cours sur les suites et séries de fonctions et mobilisent aussi les bases des suites numériques.

Convergence simple d’une suite de fonctions : définition et premiers exercices

La convergence simple est la notion la plus fondamentale pour les suites de fonctions. On fixe xx et on étudie la suite numérique (fn(x))n0(f_n(x))_{n \geq 0}. Les exercices suivants permettent de calculer la fonction limite et d'identifier les domaines de convergence.

Exercice 1 : Convergence simple de fn(x)=xnf_n(x) = x^n sur [0,1][0,1]

Facile

Pour tout entier n1n \geq 1, on définit la suite de fonctions (fn)(f_n) sur [0,1][0,1] par fn(x)=xnf_n(x) = x^n.

  1. Montrer que la suite (fn)(f_n) converge simplement sur [0,1][0,1] et déterminer la fonction limite ff.
  2. La fonction ff est-elle continue sur [0,1][0,1] ? Comparer avec les fonctions fnf_n.
Indication

Pour la question 1, distinguez deux cas selon que x[0,1[x \in [0,1[ ou x=1x = 1. Pour la question 2, observez le comportement de ff au voisinage de x=1x=1.

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Solution de la question 1 :

Soit x[0,1[x \in [0,1[. Puisque x<1|x| < 1, on a limn+xn=0\lim_{n \to +\infty} x^n = 0. Pour x=1x = 1, on a 1n=11^n = 1 pour tout nn. La suite (fn)(f_n) converge donc simplement sur [0,1][0,1] vers la fonction :

f(x)={0si x[0,1[,1si x=1. f(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x \in [0,1[, \\ 1 & \text{si } x = 1. \end{cases} Solution de la question 2 :

Chaque fnf_n est continue sur [0,1][0,1]. Pourtant la fonction limite ff est discontinue en x=1x=1 : elle vaut 00 pour x<1x < 1 et 11 pour x=1x=1. La continuité n'est donc pas préservée par convergence simple, ce qui illustre pourquoi une notion plus forte (la convergence uniforme) est nécessaire.

Exercice 2 : Convergence simple de fn(x)=nx1+n2x2f_n(x) = \dfrac{nx}{1+n^2x^2} sur R\mathbb{R}

Facile

Pour tout entier n1n \geq 1, on définit fn:RRf_n : \mathbb{R} \to \mathbb{R} par fn(x)=nx1+n2x2f_n(x) = \dfrac{nx}{1+n^2x^2}.

  1. Déterminer, pour chaque xRx \in \mathbb{R}, la limite de fn(x)f_n(x) quand n+n \to +\infty.
  2. Calculer supxRfn(x)\sup_{x \in \mathbb{R}} |f_n(x)| et en déduire si la convergence simple est uniforme sur R\mathbb{R}.
Indication

Pour la question 1, divisez numérateur et dénominateur par n2x2n^2 x^2 pour x0x \neq 0. Pour la question 2, étudiez fnf_n comme une fonction de xx et cherchez son maximum en annulant sa dérivée.

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Solution de la question 1 :

Pour x=0x = 0 : fn(0)=0f_n(0) = 0 pour tout nn. Pour x0x \neq 0, on écrit fn(x)=nxn2x2(1/(n2x2)+1)=1nx(1+1/(n2x2))f_n(x) = \dfrac{nx}{n^2 x^2(1/(n^2x^2)+1)} = \dfrac{1}{nx(1+1/(n^2x^2))}. Lorsque n+n \to +\infty, 1nx0\dfrac{1}{nx} \to 0, donc fn(x)0f_n(x) \to 0. La fonction limite est f0f \equiv 0 sur R\mathbb{R}.

Solution de la question 2 :

On calcule fn(x)=n(1n2x2)(1+n2x2)2f_n'(x) = \dfrac{n(1-n^2x^2)}{(1+n^2x^2)^2}. Celle-ci s'annule pour x=±1/nx = \pm 1/n. On obtient fn(1/n)=n(1/n)1+n2(1/n2)=12f_n(1/n) = \dfrac{n \cdot (1/n)}{1 + n^2 \cdot (1/n^2)} = \dfrac{1}{2}. Donc :

supxRfn(x)=12pour tout n1. \sup_{x \in \mathbb{R}} |f_n(x)| = \frac{1}{2} \quad \text{pour tout } n \geq 1.

Ce sup ne tend pas vers 00, donc la convergence n'est pas uniforme sur R\mathbb{R}.

Convergence uniforme et norme sup : critères et contre-exemples

La convergence uniforme est plus exigeante que la convergence simple. Elle garantit notamment la continuité de la limite et permet des interversions. Les exercices ci-dessous entraînent à l'utilisation de la norme sup fnf\|f_n - f\|_\infty et à la construction de contre-exemples.

Exercice 3 : Convergence uniforme sur un segment fermé

Facile

Soit fn(x)=x1+nx2f_n(x) = \dfrac{x}{1 + nx^2} définie sur R+\mathbb{R}_+.

  1. Montrer que (fn)(f_n) converge simplement vers 00 sur R+\mathbb{R}_+.
  2. Étudier la convergence uniforme sur R+\mathbb{R}_+, puis sur tout intervalle [a,+[[a, +\infty[ avec a>0a > 0.
Indication

Pour la convergence uniforme sur R+\mathbb{R}_+, calculez le maximum de fnf_n sur R+\mathbb{R}_+. Pour [a,+[[a,+\infty[, majorez fn(x)f_n(x) en utilisant xax \geq a.

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Solution de la question 1 :

Pour x0x \geq 0 fixé, si x=0x=0 : fn(0)=0f_n(0)=0. Si x>0x>0 : fn(x)=x1+nx2xnx2=1nx0f_n(x) = \dfrac{x}{1+nx^2} \leq \dfrac{x}{nx^2} = \dfrac{1}{nx} \to 0. La convergence simple vers f=0f=0 est établie.

Solution de la question 2 :

On cherche supx0fn(x)\sup_{x \geq 0} f_n(x). On calcule fn(x)=1nx2(1+nx2)2f_n'(x) = \dfrac{1-nx^2}{(1+nx^2)^2}, qui s'annule en x0=1/nx_0 = 1/\sqrt{n}. On obtient fn(x0)=1/n2=12nf_n(x_0) = \dfrac{1/\sqrt{n}}{2} = \dfrac{1}{2\sqrt{n}}. Donc fn=12n0\|f_n\|_\infty = \dfrac{1}{2\sqrt{n}} \to 0 : la convergence est uniforme sur R+\mathbb{R}_+.

Sur [a,+[[a,+\infty[ avec a>0a>0, on peut majorer encore plus simplement : fn(x)1nx1na0f_n(x) \leq \dfrac{1}{nx} \leq \dfrac{1}{na} \to 0.

Exercice 4 : Vrai ou faux (propriétés conservées par convergence uniforme)

Moyen

Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions convergeant simplement vers ff sur un intervalle II. Indiquer si les assertions suivantes sont vraies ou fausses, en justifiant et en donnant un contre-exemple si besoin. Reprendre ensuite chaque assertion en supposant la convergence uniforme.

  1. Si les fnf_n sont croissantes, alors ff l'est aussi.
  2. Si les fnf_n sont continues en aIa \in I, alors ff l'est aussi.
  3. Si les fnf_n sont périodiques de période TT, alors ff l'est aussi.
Indication

Pour les contre-exemples en convergence simple, pensez à fn(x)=xnf_n(x) = x^n sur [0,1][0,1] pour la continuité, et à fn(x)=sin(x/n)f_n(x) = \sin(x/n) pour la périodicité. Les inégalités larges passent toujours à la limite ; mais les propriétés métriques exigent l'uniformité.

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Question 1 :

Convergence simple : Vrai. Si xyx \leq y, alors fn(x)fn(y)f_n(x) \leq f_n(y) pour tout nn, et en passant à la limite : f(x)f(y)f(x) \leq f(y). Les inégalités larges se conservent à la limite.

Convergence uniforme : Vrai également (le même argument suffit).

Question 2 :

Convergence simple : Faux. Contre-exemple : fn(x)=xnf_n(x) = x^n sur [0,1][0,1]. Chaque fnf_n est continue, mais la limite ff vaut 00 sur [0,1[[0,1[ et 11 en 11 : elle est discontinue en 11.

Convergence uniforme : Vrai. C'est le théorème fondamental : la limite uniforme d'une suite de fonctions continues est continue.

Question 3 :

Convergence simple : Vrai. Pour tout xx, fn(x+T)=fn(x)f_n(x+T) = f_n(x) pour tout nn, donc à la limite f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x).

Convergence uniforme : Vrai (même argument).

Exercice 5 : Suite de fonctions définies par morceaux

Moyen

Pour n1n \geq 1, on définit fn:[0,1]Rf_n : [0,1] \to \mathbb{R} par :

fn(x)={n2x(1nx)si 0x1n,0si 1n<x1. f_n(x) = \begin{cases} n^2 x(1-nx) & \text{si } 0 \leq x \leq \dfrac{1}{n}, \\ 0 & \text{si } \dfrac{1}{n} < x \leq 1. \end{cases}
  1. Déterminer la limite simple de (fn)(f_n) sur [0,1][0,1].
  2. Montrer que la convergence n'est pas uniforme sur [0,1][0,1].
  3. Calculer 01fn(x)dx\displaystyle\int_0^1 f_n(x)\,dx et en déduire que limn+01fn(x)dx01f(x)dx\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \int_0^1 f_n(x)\,dx \neq \int_0^1 f(x)\,dx.
Indication

Pour la convergence simple, fixez xx et remarquez que pour nn grand, on a x>1/nx > 1/n. Pour l'uniformité, évaluez fnf_n en son maximum, situé en x=1/(2n)x = 1/(2n). L'intégrale se calcule uniquement sur [0,1/n][0, 1/n].

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Solution de la question 1 :

Pour x=0x = 0 : fn(0)=0f_n(0) = 0. Pour x(0,1]x \in (0,1] fixé, il existe NN tel que pour nNn \geq N, x>1/nx > 1/n, donc fn(x)=0f_n(x) = 0. La limite simple est f0f \equiv 0.

Solution de la question 2 :

Le maximum de fnf_n sur [0,1/n][0,1/n] est atteint en x=1/(2n)x = 1/(2n) :

fn ⁣(12n)=n212n(1n12n)=n212n12=n4n++. f_n\!\left(\tfrac{1}{2n}\right) = n^2 \cdot \tfrac{1}{2n} \cdot \left(1 - n \cdot \tfrac{1}{2n}\right) = n^2 \cdot \tfrac{1}{2n} \cdot \tfrac{1}{2} = \frac{n}{4} \xrightarrow[n\to+\infty]{} +\infty.

Donc fnf=fn=n/4↛0\|f_n - f\|_\infty = \|f_n\|_\infty = n/4 \not\to 0 : la convergence n'est pas uniforme.

Solution de la question 3 : 01fn(x)dx=01/nn2x(1nx)dx=n2[x22nx33]01/n=n2(12n213n2)=16. \int_0^1 f_n(x)\,dx = \int_0^{1/n} n^2 x(1-nx)\,dx = n^2 \left[\frac{x^2}{2} - \frac{nx^3}{3}\right]_0^{1/n} = n^2\left(\frac{1}{2n^2} - \frac{1}{3n^2}\right) = \frac{1}{6}.

Ainsi limn+01fn=160=01f\displaystyle\lim_{n\to+\infty} \int_0^1 f_n = \frac{1}{6} \neq 0 = \int_0^1 f. L'interversion limite-intégrale échoue ici, précisément parce que la convergence n'est pas uniforme.

Interversion limite et intégrale : théorèmes et applications

L'un des objectifs principaux de l'étude des suites de fonctions est de savoir quand on peut écrire limfn=limfn\lim \int f_n = \int \lim f_n. La convergence uniforme sur un segment suffit ; la convergence dominée de Lebesgue est plus générale. Les exercices suivants illustrent ces deux approches, en lien avec les méthodes de calcul d'intégrales.

Exercice 6 : Calcul d’une limite d’intégrales sans convergence uniforme

Moyen

Pour n1n \geq 1, on pose :

In=01nxn1+xdx. I_n = \int_0^1 \frac{n x^n}{1 + x}\,dx.
  1. Montrer que la suite de fonctions gn(x)=nxn1+xg_n(x) = \dfrac{n x^n}{1+x} converge simplement vers 00 sur [0,1[[0,1[ et déterminer gn(1)g_n(1).
  2. Expliquer pourquoi la convergence simple ne permet pas d'intervertir directement limite et intégrale sur [0,1][0,1].
  3. Montrer que limn+In=12\displaystyle\lim_{n \to +\infty} I_n = \dfrac{1}{2}.
Indication

La masse de nxnn x^n se concentre près de x=1x=1. Pour rendre l'argument rigoureux, coupez l'intégrale sur [0,1δ][0,1-\delta] et [1δ,1][1-\delta,1], puis utilisez que 11+x\frac{1}{1+x} est proche de 12\frac{1}{2} près de 1.

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Solution de la question 1 :

Pour x[0,1[x \in [0,1[ fixé, xn0x^n \to 0 et même nxn0n x^n \to 0, donc gn(x)0g_n(x) \to 0. En revanche, en x=1x=1, on a gn(1)=n2+g_n(1)=\dfrac{n}{2}\to+\infty.

Solution de la question 2 :

La convergence n'est pas uniforme sur [0,1][0,1], puisque gn(1)=n/2g_n(1)=n/2. On ne peut donc pas conclure que 01gn(x)dx\int_0^1 g_n(x)\,dx tend vers l'intégrale de la limite simple.

Solution de la question 3 :

On écrit :

In1201nxndx=01nxn(11+x12)dx. I_n-\frac{1}{2}\int_0^1 n x^n\,dx =\int_0^1 n x^n\left(\frac{1}{1+x}-\frac{1}{2}\right)dx.

Or 01nxndx=nn+11\displaystyle \int_0^1 n x^n\,dx=\dfrac{n}{n+1}\to 1. Il suffit donc de montrer que l'intégrale d'erreur tend vers 0. Soit ε>0\varepsilon>0. Sur [1δ,1][1-\delta,1], on choisit δ>0\delta>0 tel que 11+x12ε\left|\dfrac{1}{1+x}-\dfrac{1}{2}\right|\leq \varepsilon. Sur [0,1δ][0,1-\delta], on a xn(1δ)nx^n\leq(1-\delta)^n, donc la contribution tend vers 0. Ainsi :

01nxn(11+x12)dxn+0. \int_0^1 n x^n\left(\frac{1}{1+x}-\frac{1}{2}\right)dx \xrightarrow[n\to+\infty]{} 0.

Par conséquent :

In12nn+1et donclimn+In=12. I_n \sim \frac{1}{2}\cdot\frac{n}{n+1} \quad\text{et donc}\quad \lim_{n\to+\infty} I_n=\frac{1}{2}.

Exercice 7 : Sommes de Riemann et convergence uniforme

Moyen

Soit f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction continue, et soient a<ba < b deux réels. Pour x[a,b]x \in [a,b], on définit :

fn(x)=1ni=0n1f ⁣(x+in). f_n(x) = \frac{1}{n}\sum_{i=0}^{n-1} f\!\left(x + \frac{i}{n}\right).
  1. Montrer que pour chaque x[a,b]x \in [a,b] fixé, fn(x)f_n(x) est une somme de Riemann et calculer limn+fn(x)\displaystyle\lim_{n\to+\infty} f_n(x).
  2. Montrer que la convergence est uniforme sur [a,b][a,b].
Indication

Pour la question 1, reconnaissez la somme de Riemann de ff sur [x,x+1][x, x+1]. Pour l'uniformité, utilisez la continuité uniforme de ff sur le compact [a,b+1][a, b+1].

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Solution de la question 1 :

Pour xx fixé, fn(x)=1ni=0n1f ⁣(x+in)f_n(x) = \dfrac{1}{n}\displaystyle\sum_{i=0}^{n-1} f\!\left(x+\dfrac{i}{n}\right) est la somme de Riemann de ff sur [x,x+1][x, x+1] (subdivision uniforme, pas 1/n1/n, point gauche). Puisque ff est continue, donc intégrable sur [x,x+1][x,x+1] :

fn(x)n+xx+1f(t)dt=:F(x). f_n(x) \xrightarrow[n\to+\infty]{} \int_x^{x+1} f(t)\,dt =: F(x). Solution de la question 2 :

Les points x+i/nx+i/n, avec x[a,b]x\in[a,b] et 0in10\leq i\leq n-1, restent dans le compact K=[a,b+1]K=[a,b+1]. La fonction ff est donc uniformément continue sur KK. Posons F(x)=xx+1f(t)dt=01f(x+t)dtF(x)=\int_x^{x+1} f(t)\,dt=\int_0^1 f(x+t)\,dt. Alors :

fn(x)F(x)i=0n1i/n(i+1)/nf ⁣(x+in)f(x+t)dt. \left|f_n(x)-F(x)\right| \leq \sum_{i=0}^{n-1}\int_{i/n}^{(i+1)/n}\left|f\!\left(x+\frac{i}{n}\right)-f(x+t)\right|dt.

Lorsque t[i/n,(i+1)/n]t\in[i/n,(i+1)/n], on a (x+in)(x+t)1n\left|\left(x+\frac{i}{n}\right)-(x+t)\right|\leq\frac{1}{n}. Par continuité uniforme, le membre de droite tend vers 0 indépendamment de x[a,b]x\in[a,b]. La convergence est donc uniforme sur [a,b][a,b].

Régularité de la fonction limite : continuité et dérivabilité

Quand la convergence est uniforme, la limite hérite de nombreuses propriétés des fnf_n. Les exercices de cette section traitent de la continuité de la limite et du théorème de dérivation terme à terme, deux résultats fondamentaux que les concours exploitent régulièrement.

Exercice 8 : La limite uniforme d’une suite de fonctions lipschitziennes

Moyen

Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions MM-lipschitziennes sur [0,1][0,1] (avec M>0M > 0 indépendant de nn), convergeant simplement vers f:[0,1]Rf : [0,1] \to \mathbb{R}.

  1. Montrer que ff est lipschitzienne de constante MM sur [0,1][0,1].
  2. En déduire que la convergence simple est en fait uniforme sur [0,1][0,1].
Indication

Pour la question 1, partez de fn(x)fn(y)Mxy|f_n(x) - f_n(y)| \leq M|x-y| et passez à la limite. Pour la question 2, utilisez la lipschitzianité de ff pour montrer que (fn)(f_n) est équicontinue, puis concluez avec le théorème d'Arzelà-Ascoli ou directement par un découpage en trois termes.

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Solution de la question 1 :

Soient x,y[0,1]x, y \in [0,1]. Pour tout nn, fn(x)fn(y)Mxy|f_n(x) - f_n(y)| \leq M|x-y|. En faisant tendre n+n \to +\infty (passage à la limite dans une inégalité) : f(x)f(y)Mxy|f(x)-f(y)| \leq M|x-y|. Donc ff est MM-lipschitzienne.

Solution de la question 2 :

Soit ε>0\varepsilon > 0. On couvre [0,1][0,1] par un nombre fini de points x1,,xkx_1, \ldots, x_k tels que tout xx soit à distance ε/(3M)\leq \varepsilon/(3M) de l'un d'eux. Par convergence simple, pour chaque xjx_j il existe NjN_j tel que nNjfn(xj)f(xj)ε/3n \geq N_j \Rightarrow |f_n(x_j)-f(x_j)| \leq \varepsilon/3. Posons N=maxjNjN = \max_j N_j. Pour nNn \geq N et xx quelconque, il existe xjx_j avec xxjε/(3M)|x-x_j| \leq \varepsilon/(3M), et :

fn(x)f(x)fn(x)fn(xj)Mxxjε/3+fn(xj)f(xj)ε/3+f(xj)f(x)Mxxjε/3ε. |f_n(x)-f(x)| \leq \underbrace{|f_n(x)-f_n(x_j)|}_{\leq M|x-x_j| \leq \varepsilon/3} + \underbrace{|f_n(x_j)-f(x_j)|}_{\leq \varepsilon/3} + \underbrace{|f(x_j)-f(x)|}_{\leq M|x-x_j| \leq \varepsilon/3} \leq \varepsilon.

La convergence est donc uniforme sur [0,1][0,1].

Exercice 9 : Dérivabilité de la limite (théorème de dérivation terme à terme)

Difficile

Pour n1n \geq 1, on pose fn(x)=sin(nx)nf_n(x) = \dfrac{\sin(nx)}{n} sur R\mathbb{R}.

  1. Montrer que (fn)(f_n) converge uniformément sur R\mathbb{R} vers une fonction ff que l'on précisera.
  2. Calculer fn(x)f_n'(x) pour tout xRx \in \mathbb{R}. La suite (fn)(f_n') converge-t-elle simplement ? Uniformément ?
  3. La suite (fn)(f_n') converge-t-elle vers ff' ? Que cela illustre-t-il concernant les hypothèses du théorème de dérivation terme à terme ?
Indication

Pour la question 1, majorez fn(x)|f_n(x)| par 1/n1/n. Pour la question 2, remarquez que fn(x)=cos(nx)f_n'(x) = \cos(nx) ne converge vers aucune limite pour x0x \neq 0. La question 3 montre que la convergence simple des fnf_n vers ff ne suffit pas à garantir fnff_n' \to f'.

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Solution de la question 1 :

Pour tout xRx \in \mathbb{R} et tout n1n \geq 1 : fn(x)=sin(nx)n1n|f_n(x)| = \dfrac{|\sin(nx)|}{n} \leq \dfrac{1}{n}. Donc fn1n0\|f_n\|_\infty \leq \dfrac{1}{n} \to 0. La suite converge uniformément sur R\mathbb{R} vers f0f \equiv 0.

Solution de la question 2 :

On a fn(x)=cos(nx)f_n'(x) = \cos(nx). Pour x=0x = 0 : fn(0)=11f_n'(0) = 1 \to 1. Pour x0x \neq 0, la suite (cos(nx))(\cos(nx)) n'admet pas de limite (elle oscille entre 1-1 et 11). La suite (fn)(f_n') ne converge donc pas simplement sur R{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}, et a fortiori pas uniformément.

Solution de la question 3 :

La fonction limite est f0f \equiv 0, donc f(x)=0f'(x) = 0 pour tout xx. Or fn(0)=1↛0=f(0)f_n'(0) = 1 \not\to 0 = f'(0). La dérivée de la limite n'est donc pas la limite des dérivées. Cela illustre que pour le théorème de dérivation terme à terme, il ne suffit pas de supposer la convergence uniforme des fnf_n : on doit aussi supposer que la suite des dérivées (fn)(f_n') converge uniformément.

Exercice 10 : Suite de polynômes convergeant uniformément (caractérisation de la limite)

Difficile

Soit (Pn)(P_n) une suite de fonctions polynomiales convergeant uniformément vers une fonction f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R}.

  1. Montrer qu'il existe un entier NN tel que pour tout nNn \geq N et tout xRx \in \mathbb{R}, Pn(x)PN(x)1|P_n(x) - P_N(x)| \leq 1.
  2. En posant Qn=PnPNQ_n = P_n - P_N pour nNn \geq N, montrer que QnQ_n est un polynôme borné sur R\mathbb{R}, puis en déduire que QnQ_n est une constante.
  3. Conclure que ff est nécessairement une fonction polynomiale.
Indication

Pour la question 1, utilisez la définition de la convergence uniforme avec ε=1/2\varepsilon = 1/2, puis l'inégalité triangulaire pour passer de Pnf\|P_n - f\| et PNf\|P_N - f\| à PnPN\|P_n - P_N\|. Pour la question 2, le seul polynôme borné sur R\mathbb{R} est le polynôme constant.

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Solution de la question 1 :

Par convergence uniforme de (Pn)(P_n) vers ff, pour ε=1/2\varepsilon = 1/2, il existe NN tel que pour tout nNn \geq N et tout xRx \in \mathbb{R} : Pn(x)f(x)12|P_n(x) - f(x)| \leq \dfrac{1}{2}. Par l'inégalité triangulaire :

Pn(x)PN(x)Pn(x)f(x)+f(x)PN(x)12+12=1. |P_n(x) - P_N(x)| \leq |P_n(x)-f(x)| + |f(x)-P_N(x)| \leq \frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 1. Solution de la question 2 :

Qn=PnPNQ_n = P_n - P_N est un polynôme (différence de polynômes). Il vérifie Qn(x)1|Q_n(x)| \leq 1 pour tout xRx \in \mathbb{R}. Or un polynôme non constant est non borné sur R\mathbb{R} (son module tend vers ++\infty quand x+|x| \to +\infty). Donc QnQ_n est nécessairement un polynôme de degré 00, i.e. une constante cnRc_n \in \mathbb{R}.

Solution de la question 3 :

On a Pn=PN+cnP_n = P_N + c_n pour tout nNn \geq N. En évaluant en x=0x = 0 : Pn(0)f(0)P_n(0) \to f(0), donc (cn)(c_n) est convergente de limite λ=f(0)PN(0)\lambda = f(0) - P_N(0). Par unicité de la limite uniforme, f=PN+λf = P_N + \lambda, qui est bien une fonction polynomiale.