Theoreme de la limite simple de Baire

Théorème de la limite simple de Baire

En mathématiques, le théorème de la limite simple de Baire est un surprenant résultat d'analyse sur la continuité d'une limite simple d'une suite de fonctions continues. Il est nommé ainsi en l'honneur du mathématicien français René Baire. C'est une conséquence de la propriété de Baire.

Énoncé

Soit (f_n) une suite de fonctions continues de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{R}$. Si elle converge simplement vers une fonction f, alors f est continue sur un ensemble dense de réels.

Démonstration

Pour tous entiers positifs n et k, on pose

$F_{n,k} = \{x\in \R\ |\ \forall m\geq n,\ \forall p \geq n, |f_m(x) - f_p(x)|\leq 1/k\}$.

On note I_n,k l'intérieur de F_n,k. On note

$O_k = \bigcup_{n\in \mathbb N}I_{n,k}\quad \mathrm{et}\quad O = \bigcap_{k \in \mathbb N*} O_k$.

On va prouver que O est dense dans $\R$ et que f est continue en tout point de O.

1) F_n,k est un fermé et $\bigcup_{n\in \mathbb N}F_{n,k}= \R$.

Pour tous entiers m, p et k, les fonctions f_m et f_p sont continues donc l'ensemble

$\{x\in \R /\ |f_m(x) - f_p(x)|\leq 1/k\}$

est un fermé et F_n,k est fermé comme intersection de fermés.

Pour tout réel x, la suite (f_n(x)) converge simplement vers f(x). C'est donc une suite de Cauchy et il existe un entier n tel que

$\forall m\geq n, \forall p \geq n, |f_m(x) - f_p(x)|\leq 1/k\}$.

Ceci assure qu'il existe un entier n tel que x appartient à F_n,k.

2) Pour tout entier k, O_k est un ouvert dense dans $\R$.

L'ensemble O_k est un ouvert car c'est une union d'ouverts. Pour montrer que O_k est dense dans $\R$, il suffit de prouver que pour tout réel x et pour tout réel positif h, l'intervalle [x − h;x + h] rencontre O_k.

On considère la suite dénombrable de fermés $F_{n,k} \cap [x - h; x + h]$. Son union pour $n \in \N$ donne l'intervalle [x − h;x + h] dont l'intérieur est non vide. Par la contraposée du théorème de Baire, on en déduit qu'il existe un entier n tel que $F_{n,k} \cap [x - h; x + h]$ soit d'intérieur non vide (En effet, le propriété de Baire peut encore s'énoncer : une union dénombrable de fermés d'intérieurs vides est d'intérieur vide. Par contraposée, puisque l'union des fermés est d'intérieur non vide, il existe un fermé dont l'intérieur est non vide). Cela signifie que [x − h,x + h] rencontre I_n,k donc rencontre O_k.

3) $O\,$ est dense dans $\R$.

Par application immédiate du théorème de Baire, une intersection dénombrable d'ouverts denses dans $\R$ est dense dans $\R$.

4) Pour tout réel x de O, f est continue en x.

Pour tout x de O, x appartient à O_k pour tout entier k. Donc pour tout entier k, il existe un entier n tel que x appartient à I_n,k.

Pour tout y de I_n,k et tout entier p supérieur ou égal à n, on a

$|f_n(y) - f_p(y)| \leq 1/k$.

Par passage à la limite, on obtient

$|f_n(y) - f(y)| \leq 1/k$.

En particulier

$|f_n(x) - f(x)| \leq 1/k$.

La fonction f_n étant continue en x, il existe un ouvert U contenant x tel que, pour tout réel y de U, on ait

$|f_n(x) - f_n(y)|\leq 1/k$.

Donc, pour le réel x et pour tout réel y de l'ouvert $U \cap I_{n,k}$, on a les trois inégalités

$|f_n(x) - f(x)| \leq 1/k$

$|f_n(y) - f(y)| \leq 1/k$

$|f_n(x) - f_n(y)| \leq 1/k$.

Par sommation, on obtient

$|f(x) - f(y)| \leq 3/k$

ce qui assure la continuité de f en x.

Exemple d'utilisation

Si une fonction $f:\R\to \R$ est une dérivée, c'est-à-dire qu'il existe $g:\R\to \R$ dérivable telle que g' = f, alors f est la limite simple de la suite de fonction (g_n) définie par

$g_n(x) = n\left(g\left(x + \frac{1}{n}\right) - g(x)\right).$

On en déduit donc que toute fonction dérivée est continue sur un ensemble dense de réels.

Liens et sources

• [pdf] Lemme de Baire Par G. Godefroy.

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