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« Fonction à variation bornée » : différence entre les versions

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En [[analyse (mathématiques)|analyse]], une fonction est dite '''à variation bornée''' quand elle vérifie une certaine condition de régularité. Cette condition a été introduite en [[1881]] par le mathématicien [[Marie Ennemond Camille Jordan|Camille Jordan]] pour étendre le [[Théorème de Dirichlet sur la convergence des séries de Fourier]].
En [[analyse (mathématiques)|analyse]], une fonction est dite '''à variation bornée''' quand elle vérifie une certaine condition de régularité. Cette condition a été introduite en [[1881]] par le mathématicien [[Camille Jordan (mathématicien)|Camille Jordan]] pour étendre le [[théorème de Dirichlet sur la convergence des séries de Fourier]]<ref name="Hardy">{{Chapitre|langue = français|langue originale = anglais|traducteur = Alexandre Moreau|auteur = [[Godfrey Harold Hardy]]|éditeur = Nitens|année = 2018 |année première édition= 1922|titre chapitre = Camille Jordan|titre ouvrage = Mathématiques et mathématiciens|isbn = 9782901122005}}.</ref>.


== Définition ==
== Définition ==
Soit <math>f</math> une fonction définie sur le [[Espace compact|compact]] <math>[a,b]</math> à valeur dans <math>\R</math>.
Soit ''{{math|f}} ''une fonction définie sur un [[ensemble totalement ordonné]] ''T ''et à valeurs dans un [[espace métrique]] (''E'', ''d'').


Pour chaque subdivision <math>\sigma =(a=x_0 ,x_1 ,\ldots ,x_n =b) \in \mathcal S ([a,b])</math>, on définit <math>V(f,\sigma )</math> par :
Pour toute [[Subdivision d'un intervalle|subdivision]] {{math|1=σ = (''x''{{ind|0}}, ''x''{{ind|1}}, , ''x{{ind|n}}'')}} d'un [[Intervalle (mathématiques)|intervalle]] quelconque de ''T'', on définit {{math|''V''(''f'', σ)}} par :


<center><math>V(f,\sigma) \doteqdot \sum_{i=1}^{n} \left| f(x_i) - f(x_{i-1}) \right|</math>.</center>
<center><math>V(f,\sigma)=\sum_{i=1}^n d(f(x_{i-1}),f(x_i)).</math></center>


On appelle ''variation totale de <math>f</math>'' la valeur <math>V^{b}_{a} \in \bar{\R}</math> définie par :
On appelle [[Variation totale (mathématiques)|variation totale]] de ''{{math|f}} ''sur ''T ''la valeur {{math|''V{{ind|T}}''(''f'')}} [[Droite réelle achevée|{{surligner|ℝ}}]] définie par :


<center><math>V^{b}_{a}(f) \doteqdot \sup_{\sigma \in \mathcal S ([a,b])} V(f,\sigma )</math></center>
<center><math>V_T(f)=\sup_{\sigma}V(f,\sigma).</math></center>


On dit que ''{{math|f}} ''est à variation bornée si cette [[borne supérieure]] {{math|''V{{ind|T}}''(''f'')}} est finie<ref name=Choquet>[[Gustave Choquet]], ''Cours d'analyse, tome II : Topologie'', p. 99-106.</ref>, autrement dit si l'« arc » (non nécessairement continu) défini par ''{{math|f}} ''est [[Arc rectifiable#Définition de Jordan|rectifiable au sens de Jordan]]<ref name="Hardy"/>.
On dit que <math>f</math> est '''à variation bornée''' si <math>V^{b}_{a}(f)</math> est [[Ensemble fini|fini]].


== Intérêt de la notion ==

Les [[Fonction monotone|fonctions monotones]] forment une classe importante de fonctions en analyse. Cependant elle présente l'inconvénient de ne pas être invariante pour des opérations algébriques basiques : la somme de deux fonctions monotones par exemple n'est pas nécessairement monotone<ref group = alpha>[[Contre-exemple]] : Les fonctions {{math|''f'' : x ↦ -x}} et {{math|''g'' : x ↦ x{{exp|3}}}} sont toutes deux monotones mais {{math|''f + g''}} ne l'est pas.</ref>. Comme toute fonction à variations bornées est somme de deux fonctions monotones et [[Implication réciproque|réciproquement]], les fonctions à variations bornées peuvent être vues comme une généralisation des fonctions monotones mais avec l'avantage que l'ensemble des fonctions à variations bornées muni de l'addition ou de la multiplication forme un [[Anneau (mathématiques)|anneau]] : la somme et le produit de deux fonctions à variations bornées est à variations bornées<ref name="Hardy"/>.
Plus généralement, une fonction définie sur un intervalle quelconque est à variation bornée
si <math>V^{y}_{x}(f)</math> est fini quels que soient '''x''' et '''y''' dans l'intervalle.


== Propriétés ==
== Propriétés ==
*La variation totale (finie ou infinie) d'une fonction ''{{math|f}} ''[[continue]] sur un [[segment (mathématiques)|segment]] réel [''a'', ''b''] est non seulement la borne supérieure des {{math|''V''(''f'', σ)}} quand {{math|σ}} parcourt les subdivisions de [''a'', ''b''], mais aussi leur limite, quand le pas de la subdivision {{math|σ}} tend vers 0. On en déduit que pour une fonction continue à variation bornée ''{{math|f}}'', l'application {{math|''t ''↦ ''V''{{ind|[''a'', ''t'']}}(''f'')}} est continue<ref name=Choquet/>.
*Les fonctions à variation bornée forment un [[sous-espace vectoriel]] de l'espace des fonctions de <math>[a,b]</math> dans <math>\R</math>.
*Si φ est une [[bijection]] [[Fonction monotone|croissante]] d'un autre ensemble totalement ordonné ''S ''vers ''T'', la variation totale de ''{{math|f}}''∘φ sur ''S ''est égale à celle de ''{{math|f}} ''sur ''T''<ref name=Choquet/>.
*Toute [[fonction lipschitzienne]] est à variation bornée, toute fonction monotone également.
*Toute fonction à variation bornée est limite uniforme d'une suite de fonctions en escalier.
*Pour tout [[espace vectoriel normé]] ''E'', les fonctions à variation bornée forment un [[sous-espace vectoriel]] de l'espace des fonctions de ''T ''dans ''E''.
*Toute fonction ''{{math|F}} ''[[Absolue continuité|absolument continue]] (en particulier toute [[fonction lipschitzienne]]) est à variation bornée. Autrement dit : si ''{{math|f}} ''est [[Intégrale de Lebesgue|intégrable au sens de Lebesgue]] sur un intervalle ''{{math|I}} ''alors, pour ''{{math|a}} ''fixé dans ''{{math|I}}'', la fonction<center><math>x\mapsto F(x)=\int_a^xf(t)~\mathrm dt</math> </center>est à variation bornée. En effet,<center><math>V_a^x(F)\le\int_a^x\vert f(t)\vert dt\le\int_I \vert f(t)\vert~\mathrm dt.</math></center>
*Toute fonction à variation bornée est différence de deux [[Fonction monotone|fonctions croissantes]]. A fortiori, l'espace vectoriel des fonctions à variation bornée est engendré par l'ensemble des fonctions croissantes ; on en déduit également que les fonctions à variation bornée ont au plus une infinité ''dénombrable'' de points de discontinuité et sont dérivables [[Ensemble négligeable#Le concept de « presque partout »|presque partout]] (au sens de la mesure de Lebesgue).
*Toute fonction à variation bornée est [[Fonction réglée|réglée]] (c'est-à-dire [[Convergence uniforme|limite uniforme]] d'une suite de [[Fonction en escalier|fonctions en escalier]])<ref name="Gourdon">{{Ouvrage |langue=fr |auteur1=Xavier Gourdon |titre=Les maths en tête |sous-titre=Analyse |éditeur=Ellipses |lieu=Paris |année=2008 |numéro d'édition=2 |année première édition=1994 |pages totales=432 |isbn=978-2-7298-3759-4 |numéro chapitre=2 |titre chapitre=Fonctions d'une variable réelle}}.</ref>.
*Si '''f''' est intégrable au sens de Lebesgue sur un intervalle '''I''', alors, pour '''a''' fixé dans '''I''' la fonction <math>x\mapsto F(x)=\int_a^xf(t)dt</math> est à variation bornée. En effet, <math>V_a^x(F)\le\int_a^x\vert f(t)\vert dt\le\int_I \vert f(t)\vert dt</math>
*Les fonctions à variation bornée d'un [[segment (mathématiques)|segment]] réel dans ℝ sont exactement les différences de deux fonctions croissantes (une telle décomposition ''{{math|1=f = g – h}} ''est loin d'être unique<ref>{{Ouvrage |langue=en |prénom1=J. |nom1=Yeh |titre=Real Analysis |sous-titre=Theory of Measure and Integration |éditeur=World Scientific |année=2006 |numéro d'édition=2 |pages totales=738 |passage=265 |isbn=978-981-256-653-9 |lire en ligne=https://books.google.fr/books?id=0IZg1kjfRIMC&pg=PA265}} : {{Citation étrangère|lang=en|Jordan Decomposition of Functions of Bounded Variation}}</ref> ; si ''{{math|f}} ''est continue, ''{{math|g}} ''et ''{{math|h}} ''peuvent être choisies continues : par exemple<ref name=Choquet/> {{math|1=''h''(''t'') = ''V''{{ind|[''a'', ''t'']}}(''f'')}} et ''{{math|1=g = f + h}}''). On en déduit que leurs [[Continuité (mathématiques)|discontinuités]] sont [[Classification des discontinuités|inessentielles]] et forment un ensemble [[Ensemble dénombrable|au plus dénombrable]] et que ces fonctions sont [[dérivable]]s [[Ensemble négligeable#Le concept de « presque partout »|presque partout]] (au sens de la [[mesure de Lebesgue]]), de dérivées [[Fonction localement intégrable|localement intégrables]].
*Il existe des fonctions dérivables à variation totale infinie, comme<ref name=Choquet/> la fonction ''{{math|f}} ''définie sur [–1, 1] par {{math|1=''f''(''x'') = ''x''{{2}}cos{{2}}(π/''x''{{2}})}} si {{math|''x ''≠ 0}} et {{math|1=''f''(0) = 0}}.


== Généralisation aux fonctions à variables multiples ==
=== Voir aussi ===
* [[Intégrale]]
* [[Absolue continuité]]


Une définition étendue aux fonctions à variables multiples peut se faire par la variation de Vitali<ref>{{article|langue=it|prénom1=G.|nom1=Vitali|titre=Sui gruppi di punti e sulle funzioni di variabili reali|périodique=Atti Accad. Sci. Torino|volume=43|année=1908|pages=229-246|issn=}}</ref>{{,}}<ref>{{Ouvrage |langue=de |prénom1=H. |nom1=Hahn |titre=Theorie der reellen Funktionen. Erster Band. |éditeur= |année=1921 }}</ref>. Proposée par Vitali, elle a été reprise par Lebesgue et Fréchet.
{{Portail analyse}}

Soit une fonction ''f'' définie sur un pavé <math>[a_1, b_1] \times \cdots \times [a_n, b_n] \subseteq \R^n</math>. On note :
:<math>\Delta_{h_k} (f,x) = f(x_1, x_2, \cdots, x_k+h_k , \cdots, x_n) - f(x_1, x_2, \cdots, x_k , \cdots, x_n) </math>
puis, de façon récursive,
:<math>\Delta_{h_1, h_2, \cdots, h_k} (f,x) = \Delta_{h_k} (\Delta_{h_1, h_2, \cdots, h_{k-1}},x).</math>

On se donne ensuite des suites de points <math>\pi_k</math> sur chaque direction <math>a_k = t_k^1 < t_k^2 < \cdots < t_k^{N_k+1} = b_k</math>, et on associe <math>h_k^i = t_k^{i+1} - t_k^i.</math>

{{énoncé|1=La '''variation au sens de Vitali de ''f''''' est donnée par :
:<math>V^n (f) = \sup_{(\pi_1, ... \pi_n)} \sum_{k=1}^{n} \sum_{i_k=1}^{N_k} \left| \Delta_{h_1^{i_1}, h_2^{i_2}, \cdots, h_k^{i_k}} \left(f, (x_1^{i_1}, x_2^{i_2}, \cdots, x_k^{i_k}) \right) \right|</math>
}}

Cette définition de la variation peut être étendue à travers la définition de la variation de Hardy-Krause :
{{énoncé|1=La '''variation de Hardy-Krause de ''f''''' est donnée par :
:<math>V (f) = \sum V^n (f)</math>
où la somme est faite sur toutes les faces de tous les sous-intervalles du pavé <math>[a_1, b_1] \times \cdots \times [a_n, b_n] \subseteq \R^n</math> de dimension inférieure ou égale à {{math|''n''}}.
}}

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|group=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

== Lien externe ==
{{EncycloMath|id=Function_of_bounded_variation|titre=Function of bounded variation}}

{{Portail|analyse}}


{{DEFAULTSORT:Fonction a variation bornee}}
{{DEFAULTSORT:Fonction a variation bornee}}
[[Catégorie:Analyse réelle]]
[[Catégorie:Analyse réelle]]
[[Catégorie:Analyse fonctionnelle]]
[[Catégorie:Analyse fonctionnelle]]
[[Catégorie:Propriété de fonction|Variation bornée]]

[[de:Beschränkte Variation]]
[[en:Bounded variation]]
[[fi:Rajoitetusti heilahteleva kuvaus]]
[[he:השתנות חסומה]]
[[it:Funzione a variazione limitata]]
[[ru:Вариация Харди]]

Dernière version du 22 janvier 2022 à 13:55

En analyse, une fonction est dite à variation bornée quand elle vérifie une certaine condition de régularité. Cette condition a été introduite en 1881 par le mathématicien Camille Jordan pour étendre le théorème de Dirichlet sur la convergence des séries de Fourier[1].

Définition

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Soit f une fonction définie sur un ensemble totalement ordonné T et à valeurs dans un espace métrique (E, d).

Pour toute subdivision σ = (x0, x1, … , xn) d'un intervalle quelconque de T, on définit V(f, σ) par :

On appelle variation totale de f sur T la valeur VT(f) définie par :

On dit que f est à variation bornée si cette borne supérieure VT(f) est finie[2], autrement dit si l'« arc » (non nécessairement continu) défini par f est rectifiable au sens de Jordan[1].

Intérêt de la notion

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Les fonctions monotones forment une classe importante de fonctions en analyse. Cependant elle présente l'inconvénient de ne pas être invariante pour des opérations algébriques basiques : la somme de deux fonctions monotones par exemple n'est pas nécessairement monotone[a]. Comme toute fonction à variations bornées est somme de deux fonctions monotones et réciproquement, les fonctions à variations bornées peuvent être vues comme une généralisation des fonctions monotones mais avec l'avantage que l'ensemble des fonctions à variations bornées muni de l'addition ou de la multiplication forme un anneau : la somme et le produit de deux fonctions à variations bornées est à variations bornées[1].

Propriétés

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  • La variation totale (finie ou infinie) d'une fonction f continue sur un segment réel [a, b] est non seulement la borne supérieure des V(f, σ) quand σ parcourt les subdivisions de [a, b], mais aussi leur limite, quand le pas de la subdivision σ tend vers 0. On en déduit que pour une fonction continue à variation bornée f, l'application t V[a, t](f) est continue[2].
  • Si φ est une bijection croissante d'un autre ensemble totalement ordonné S vers T, la variation totale de f∘φ sur S est égale à celle de f sur T[2].
  • Pour tout espace vectoriel normé E, les fonctions à variation bornée forment un sous-espace vectoriel de l'espace des fonctions de T dans E.
  • Toute fonction F absolument continue (en particulier toute fonction lipschitzienne) est à variation bornée. Autrement dit : si f est intégrable au sens de Lebesgue sur un intervalle I alors, pour a fixé dans I, la fonction
    est à variation bornée. En effet,
  • Toute fonction à variation bornée est réglée (c'est-à-dire limite uniforme d'une suite de fonctions en escalier)[3].
  • Les fonctions à variation bornée d'un segment réel dans ℝ sont exactement les différences de deux fonctions croissantes (une telle décomposition f = g – h est loin d'être unique[4] ; si f est continue, g et h peuvent être choisies continues : par exemple[2] h(t) = V[a, t](f) et g = f + h). On en déduit que leurs discontinuités sont inessentielles et forment un ensemble au plus dénombrable et que ces fonctions sont dérivables presque partout (au sens de la mesure de Lebesgue), de dérivées localement intégrables.
  • Il existe des fonctions dérivables à variation totale infinie, comme[2] la fonction f définie sur [–1, 1] par f(x) = x2cos2(π/x2) si x ≠ 0 et f(0) = 0.

Généralisation aux fonctions à variables multiples

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Une définition étendue aux fonctions à variables multiples peut se faire par la variation de Vitali[5],[6]. Proposée par Vitali, elle a été reprise par Lebesgue et Fréchet.

Soit une fonction f définie sur un pavé . On note :

puis, de façon récursive,

On se donne ensuite des suites de points sur chaque direction , et on associe

La variation au sens de Vitali de f est donnée par :

Cette définition de la variation peut être étendue à travers la définition de la variation de Hardy-Krause :

La variation de Hardy-Krause de f est donnée par :

où la somme est faite sur toutes les faces de tous les sous-intervalles du pavé de dimension inférieure ou égale à n.

Notes et références

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  1. Contre-exemple : Les fonctions f : x ↦ -x et g : x ↦ x3 sont toutes deux monotones mais f + g ne l'est pas.

Références

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  1. a b et c Godfrey Harold Hardy (trad. de l'anglais par Alexandre Moreau), « Camille Jordan », dans Mathématiques et mathématiciens, Nitens, (1re éd. 1922) (ISBN 9782901122005).
  2. a b c d et e Gustave Choquet, Cours d'analyse, tome II : Topologie, p. 99-106.
  3. Xavier Gourdon, Les maths en tête : Analyse, Paris, Ellipses, , 2e éd. (1re éd. 1994), 432 p. (ISBN 978-2-7298-3759-4), chap. 2 (« Fonctions d'une variable réelle »).
  4. (en) J. Yeh, Real Analysis : Theory of Measure and Integration, World Scientific, , 2e éd., 738 p. (ISBN 978-981-256-653-9, lire en ligne), p. 265 : « Jordan Decomposition of Functions of Bounded Variation »
  5. (it) G. Vitali, « Sui gruppi di punti e sulle funzioni di variabili reali », Atti Accad. Sci. Torino, vol. 43,‎ , p. 229-246
  6. (de) H. Hahn, Theorie der reellen Funktionen. Erster Band.,

Lien externe

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(en) « Function of bounded variation », dans Michiel Hazewinkel, Encyclopædia of Mathematics, Springer, (ISBN 978-1556080104, lire en ligne)