Approximation of a Function by Polynomials and Trigonometric Polynomials

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Approximation of a Function by Polynomials and Trigonometric Polynomials

Mathematics, Numerical Analysis · course

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209. Approximation d’une fonction par des polynômes et des

polynômes trigonométriques. Exemples et applications.

Introduction : Les polynômes sont les fonctions les plus faciles à évaluer

numériquement, d’où l’intérêt de savoir approximer une fonction arbitraire par des

polynômes.

1 Interpolation polynomiale

1.2 Stabilité et convergence

Définition 6. On définit alors l’opérateur d’interpolation de Lagrange aux points

(xi) par Pn

(cid:26) C([a, b]) → C([a, b])

f

7→ Pn(f )

.

Proposition 7. Pn est linéaire continu pour k·k∞, de norme Λn = sup

x∈[a,b]

Proposition 8. Pour les points de Tchebychev, on a Λn ∼

n→∞

2

π

ln(n).

n

X

i=0

|‘i(x)|.

Soient a < b ∈ R, soit f ∈ C([a, b], R), soient x0 < x1 < · · · < xn ∈ [a, b].

Corollaire 9. Il existe une fonction continue dont le polynôme d’interpolation aux

points de Tchebychev ne converge pas uniformément.

1.1 Généralités

par ‘i(X) =

Y

j6=i

X − xj

xi − xj

Définition 1. On définit la famille des polynômes de Lagrange aux points (xi)i

, i ∈ [[0, n]]. On définit le polynôme d’interpolation de f aux

points (xi)i par Pn(f ) =

n

X

i=0

f (xi)‘i. On note aussi πn+1(X) =

n

Y

j=0

(X − xj).

Proposition 2. Pn(f ) est le seul polynôme de Rn[X] vérifiant

∀i ∈ [[0, n]], Pn(f )(xi) = f (xi).

Exemple 3. Si n = 1, x0 = a, x1 = n, P1(f ) est la corde joignant (a, f (a)) et

(b, f (b)).

Théorème 4. On suppose f ∈ Cn+1([a, b]).

Alors, pour tout x ∈ [a, b], il existe ξx ∈ [a, b], f (x) − Pn(f )(x) =

πn+1(x)

(n + 1)!

f (n+1)(ξx).

Ainsi kf − Pn(f )k∞ ≤

kπn+1k∞

(n + 1)!

kf (n+1)k∞.

Exemple 5. On suppose a = −1, b = 1.

Exemple 10 (Phénomène de Runge). Soit α > 0. Pour x ∈ [−1, 1], soit

1

fα(x) =

(points équidistants) diverge.

x2 + α2 . f est analytique mais la suite de ses polynômes d’interpolation

1.3 Application : Quadrature de Newton-Cotes

Z b

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Z b

L’idée est d’approximer I(f ) =

f (x)dx par In(f ) :=

Pn(f )(x)dx, où Pn(f )

est pris avec des points équidistants.

a

a

Définition 11. La quadrature est dite d’ordre k si pour tout f ∈ Rk[X], In(f ) =

I(f ), et s’il existe g ∈ Rk+1[X], I(g) 6= Ik(g).

Proposition 12. La méthode de Newton-Cotes est d’ordre n si n est impair et

d’ordre n + 1 si n pair.

Exemple 13. Si n = 1, c’est la méthode des trapèzes (d’ordre 1). Si n = 2, c’est la

méthode de Simpson (ordre 3).

2 Approximation uniforme

Soit f ∈ C([a, b]).

— Points équidistants : xi =

2i

n

− 1, alors kπn+1k∞ ≥

(cid:19)n+1

1

√

n

n

(cid:18) 2

e

Théorème 14. Pour n ∈ N, il existe un unique Pn ∈ Rn[X] tel que kf − P k∞ =

(n → ∞).

inf

P ∈Rn[X]

kf − P k∞.

— Points de Tchebychev : xi = cos

(cid:18) 2i + 1

2n + 2

(cid:19)

π

, alors kπn+1k∞ ≥ 2

(cid:19)n+1

.

(cid:18) 1

2

Définition 15. Ce polynôme est appelé polynôme de meilleure approximation uni-

forme de f .

Théorème 16. Soit f ∈ C([0, 1]). On définit son module de continuité par wf (h) =

|f (x) − f (y)|. Pour p ∈ [0, 1], soient X1(p), · · · , Xn(p) iid suivant une loi

sup

|x−y|<h

de Bernoulli de paramètre p. On pose Sn(p) =

p ∈ [0, 1], Bn(p) = E

(cid:20)

f

(cid:18) Sn(p)

n

(cid:19)(cid:21)

.

n

X

i=1

Xi(p). On pose enfin pour tout

(Bn)n∈N est une suite de fonctions polynomiales qui converge uniformément vers f ,

Application 23.

xex − sin(x)

x2

−→

x→0

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1.

Application 24 (Théorème central

aléatoires iid dans L2. Alors, si on pose Sn =

Xk,

converge en loi vers une variable de loi N (0, 1).

k=1

limite). Soit (Xn)n∈N suite de variables

(cid:19)

r n

n

X

(cid:18) Sn

n

− E[X1]

Var(X1)

on a kBn − f k∞ ≤

3

2

wf

(cid:19)

(cid:18) 1

√

n

et cette inégalité est optimale.

0. On se donne x0 ∈ I, et on pose xk+1 = xk −

. S’il existe δ > 0 tel que f

Théorème 25 (Méthode de Newton). Soit f ∈ C1(R, R), soit α ∈ R tel que f (α) =

f (xk)

f 0(xk)

3 Approximation locale : formules de Taylor

Soit I intervalle ouvert de R, soit f ∈ C(I, Rd).

3.1 Rappel des formules de Taylor

Soit a ∈ I tel que f soit n fois dérivable en a. On définit le polynôme de Taylor

d’ordre n de f en a : T n

a (f ) =

n

X

k=0

f (k)(a)

k!

(X − a)k. Alors :

Théorème 17 (Taylor-Young). ∀x ∈ I, f (x) = T n

Théorème 18 (reste intégral). ∀x ∈ I, si f ∈ Cn+1([a, x]), on a

a (f )(x) + ox→a((x − a)n).

f (x) = T n

a (f )(x) +

f (n+1)(t)dt.

Z x

a

(x − t)n

n!

Théorème 19 (Taylor-Lagrange). ∀x ∈ I, si f ∈ Cn([a, x], R), n + 1 fois dérivables

sur ]a, x[, alors il existe c ∈]a, x[ tel que f (x) = T n

a (f )(x) +

f (n+1)(c)

(n + 1)!

(x − a)n+1.

Corollaire 20. Si f ∈ Cn+1([a, x], R), on a

|f (x) − f (a) − T n

a (f )(x)| ≤

kf (n+1)k∞

(n + 1)!

(x − a)n+1.

soit de classe C2 sur ]α − δ, α + δ[ et si f 0 ne s’annule pas sur cet intervalle, alors

pour tout x0 ∈]α − δ, α + δ[, la suite converge quadratiquement vers α.

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4 Polynômes trigonométriques

On note T = R/2πZ et on identifie les fonctions f : T → C aux fonctions f : R → C

2π-périodiques.

4.1 Généralités

Définition 26. On appelle ensemble des polynômes trigonométriques, et on note

P, le sous-espace vectoriel de C(T) engendré par les (en)n∈Z où en : t 7→ eint.

Théorème 27 (Weierstrass). P est dense dans C(T).

Définition 28. Si f ∈ L1(T), on définit son n-ème coefficient de Fourier par

cn(f ) =

1

2π

Z 2π

0

f (t)e−intdt. On appelle série de Fourier de f la série

X

n∈Z

cn(f )en.

Proposition 29. (en)n∈Z forme une base hilbertienne de L2(T).

3.2 Applications

Théorème 30 (Parseval). Si f ∈ L2(T), on a kf k2 =

Proposition 21. Soit a ∈ I. Si f est n fois dérivable en a, alors f admet un

développement limité à l’ordre n en a, donné par la formule de Taylor-Young.

Exemple 22. Pour n ∈ N, au voisinage de 0 :

(−1)k x2k

(2k)!

+ o(x2n+1).

+ o(xn)

cos(x) =

xk

k!

ex =

n

X

n

X

k=0

k=0

4.2 Convergence des séries de Fourier

Théorème 31 (Dirichlet). Si f est continue, de classe C1 par morceaux, alors sa

série de Fourier converge normalement vers f dans (C(T), k · k∞).

+∞

X

n=−∞

|cn(f )|2.

Application 32. Soit u0 ∈ C([0, 2π], R), C1 par morceaux avec u(0) = u(2π). On

∂2u

∂x2 (t, x) = 0 pour (t, x) ∈ R+×]0, 2π[,

considere le probleme aux limites

(t, x) −

u(0, x) = u0(x) pour x ∈ [0, 2π], u(t, 0) = u(t, 2π) pour t ∈ R+. Il y a une unique

solution continue sur R+ × [0, 2π], C∞ sur R∗

∂u

∂t

+×]0, 2π[.

Développements

— Stabilité de l’interpolation de Lagrange.

— Polynômes de Bernstein.

— Équation de la chaleur avec conditions aux limites périodiques.

Références

[1] V. Beck, J. Malick, G. Peyré, Objectif Agrégation, H&K.

[2] J.-P. Demailly, Analyse numérique et équations différentielles, EDP

Sciences.

[3] A. Pommellet, Cours d’analyse, Ellipses.