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Ce problème étudie la convergence des polynômes d’interpolation de Lagrange et le phénomène de Runge. La partie I présente les polynômes de Lagrange et de Tchebychev ; la partie II étudie la convergence pour des fonctions de classe {\mathcal C^\infty}. Les sous-parties III.A et III.B, consacrées à une intégrale généralisée, sont indépendantes des deux premières parties.
Notations.{\llbracket k_1,k_2\rrbracket} désigne l’ensemble des entiers compris entre {k_1} et {k_2}, {\lfloor x\rfloor} la partie entière de {x} et {\mathbb R_n[X]} les polynômes réels de degré au plus {n}.
I — Étude de deux familles de polynômes
Soient {n\ge1} et {a_1,\ldots,a_n} des réels distincts. Les polynômes de Lagrange associés sont {L_i(X)=\prod_{\substack{1\le j\le n\\[8pt]j\ne i}}\frac{X-a_j}{a_i-a_j}.\tag{I.1}}
I.A — Polynômes de Lagrange
On définit, pour {P,Q\in\mathbb R_{n-1}[X]}, {\langle P,Q\rangle=\sum\limits_{k=1}^nP(a_k)Q(a_k)}.
Q 1. Montrer que {\langle\cdot,\cdot\rangle} est un produit scalaire sur {\mathbb R_{n-1}[X]}.
Q 13. On raisonne par l’absurde. Si {\sup_{[-1,1]}|W|\lt 2^{1-n}}, montrer que {Q(z_k)Q(z_{k+1})\lt 0} pour {0\le k\lt n}. En déduire une contradiction et conclure.
II — Interpolation et convergence pour une fonction de classe {\mathcal C^\infty}
II.A — Interpolation d’une fonction de classe {\mathcal C^n}
Soient {n\ge1}, {I=[a,b]} avec {a\lt b}, et {a_1\lt \cdots\lt a_n} dans {I}. On note {L_i} les polynômes de Lagrange associés et {W=\prod\limits_{i=1}^n(X-a_i)}.
Pour une fonction {f} définie sur {I}, son polynôme interpolateur est {\Pi(f)=\sum\limits_{i=1}^nf(a_i)L_i}. C’est l’unique polynôme de degré au plus {n-1} égal à {f} en chacun des {a_i}.
Q 16. Soit {r\in\mathcal C^n(I,\mathbb R)} s’annulant en {n+1} points distincts. Montrer qu’il existe {c\in I} tel que {r^{(n)}(c)=0}.
Q 17. Soit {f\in\mathcal C^n(I,\mathbb R)} et {P=\Pi(f)}. Montrer que, pour tout {x\in I}, il existe {c\in I} tel que {f(x)-P(x)=\frac{f^{(n)}(c)}{n!}W(x).}Pour {x\notin\{a_1,\ldots,a_n\}}, on pourra considérer {r(t)=f(t)-P(t)-KW(t)}, avec {K} choisi pour que {r(x)=0}.
Pour chaque {n\ge1}, on choisit des réels distincts {a_{1,n}\lt \cdots\lt a_{n,n}} dans un segment {I}. On note {L_{i,n}} leurs polynômes de Lagrange et {P_n=\Pi_n(f)=\sum\limits_{i=1}^nf(a_{i,n})L_{i,n}}. C’est l’unique polynôme de degré au plus {n-1} interpolant {f} en ces points.
II.B.1 — Convergence uniforme vers l’exponentielle
Ici {I=[a,b]} et {f(x)=e^x}.
Q 19. Montrer que {(P_n)} converge uniformément vers {f} sur {I}.
Q 20. Montrer qu’il existe des polynômes {Q_n} convergeant uniformément vers {f} sur {I} et tels que {Q_n(x)\ne e^x} pour tout {n\ge1} et tout {x\in I\setminus\{0\}}.
Soit {\sum\limits_{k\ge0}c_kx^k} de rayon {R>0}. On pose {f(x)=\sum\limits_{k=0}^\infty c_kx^k} pour {|x|\lt R} et {g(x)=\sum\limits_{k=0}^\infty x^k} pour {|x|\lt 1}.
Q 23. Montrer que {g\in\mathcal C^\infty(]-1,1[)} et {g^{(j)}(x)=j!/(1-x)^{j+1}}.
Sur {I=[-1,1]}, on considère {f_\alpha(x)=1/(\alpha^2+x^2)}, avec {\alpha>0}. On reprend {a_{k,n}=(2k+1)/(2n)}.
On note {R_n\in\mathbb R_{2n-1}[X]} le polynôme interpolateur de {f_\alpha} aux {2n} points {\pm a_{k,n}}, {0\le k\le n-1}. Ces points sont régulièrement espacés entre {-(2n-1)/(2n)} et {(2n-1)/(2n)}.
On pose {Q_n(X)=1-(X^2+\alpha^2)R_n(X)}.
Q 37. Montrer que {R_n} est pair et déterminer {Q_n(\alpha i)}.