Sur l’approximation des fonctions convexes d’ordre supérieur (II)

Abstrait

Traduction en anglais du titre

On the approximation of higher-order convex functions (II)

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T. Popoviciu, Sur l’approximation des fonctions convexes d’ordre supérieur (II), Bull. de la Sect. sci. de l’Acad. Roum., 20 (1938) no. 7, pp. 50-53; 192-195 (in French).

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[Zbl 0021.11701,JFM 64.1025.01]

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BULLETIN

No. 7

SOMMAIRE

SUR L'APPROXIMATION DES FONCTIONS CONVEXES D'ORDRE SUPERIEUR

PARTIBERIU POPOVICIUNote présentée par M. G. Tzitzéica, M.A.K.

I. - Dans un travail antérieur 1 1 ^(1){ }^{1}1 ), j 'ai démontré que toute fonction ∫ ( x ) ∫ ( x ) int(x)\int(x)∫(x) continue dans un intervalle fini et fermé ( a , b a , b a,ba, ba,b ) est la limite d'une stite uniformément convergente de polynomes qui conservent toutes les propriétés de convexité de f ( x ) f ( x ) f(x)f(x)f(x). Cette propriété est réalisée par les polynomes de M. S. Bernstein.
(I) P m ( x ) = 1 ( b − a ) m ∑ i = 0 m ( m i ) f ( a + i b − a m ) ( x − a ) i ( b − x ) m − i . (I) P m ( x ) = 1 ( b − a ) m ∑ i = 0 m   ( m i ) f a + i b − a m ( x − a ) i ( b − x ) m − i . {:(I)P_(m)(x)=(1)/((b-a)^(m))sum_(i=0)^(m)((m)/(i))f(a+i(b-a)/(m))(x-a)^(i)(b-x)^(m-i).:}\begin{equation*} P_{m}(x)=\frac{1}{(b-a)^{m}} \sum_{i=0}^{m}\binom{m}{i} f\left(a+i \frac{b-a}{m}\right)(x-a)^{i}(b-x)^{m-i} . \tag{I} \end{equation*}(I)Pm(x)=1(b−a)m∑i=0m(mi)f(a+ib−am)(x−a)i(b−x)m−i.
Mais, en général, on ne peut rien dire sur les caractères de convexité des polynomes ( I I III ), en dehors de lintervalle ( a , b a , b a,ba, ba,b ). Dans la suite nous démontrerons la propriété suivante:
Toute fonction contiwue et non-concave d'ordre n n nnn dans l'intervalle ( a , b a , b a,ba, ba,b ) est limite d'une suile uniformément convergente dans cet intervalle de polynomes qui sonl convexes d'ordre n n nnn partout, donc dans ( − ∞ , + ∞ ) ( − ∞ , + ∞ ) (-oo,+oo)(-\infty,+\infty)(−∞,+∞).
Nous supposons, bien entendu, que f ( x ) f ( x ) f(x)f(x)f(x) ne se réduise pas à um polynome de degré n n nnn.
2. - Si nous disons qu'une fonction non-négative est non-concave d'ordre - 1 , la propriété précédente est vraie aussi pour n = − 1 n = − 1 n=-1n=-1n=−1. En effet, il existe dans ce cas une fonction continue g ( x ) g ( x ) g(x)g(x)g(x) telle que l'on ait f ( x ) = g 2 ( x ) f ( x ) = g 2 ( x ) f(x)=g^(2)(x)f(x)=g^{2}(x)f(x)=g2(x) dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b). Soit alors M = max | g ( x ) | M = max | g ( x ) | M=max|g(x)|M=\max |g(x)|M=max|g(x)| et ε ε epsi\varepsilonε tun nombre positif. ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b)
D'après le théorème de Weierstrass pour tout 0 < ε ′ < min ( I , ε 2 M + I ) 0 < ε ′ < min I , ε 2 M + I 0 < epsi^(') < min(I,(epsi)/(2M+I))0<\varepsilon^{\prime}<\min \left(\mathrm{I}, \frac{\varepsilon}{2 M+\mathrm{I}}\right)0<ε′<min(I,ε2M+I) il existe un polynome P ( x ) P ( x ) P(x)P(x)P(x) tel que | g − P | < ε ′ | g − P | < ε ′ |g-P| < epsi^(')|g-P|<\varepsilon^{\prime}|g−P|<ε′ dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b). Nous avons
| P | < M + I , | g + P | < 2 M + I dans ( a , b ) , | P | < M + I , | g + P | < 2 M + I  dans  ( a , b ) , |P| < M+I,|g+P| < 2M+I" dans "(a,b),|P|<M+I,|g+P|<2 M+I \text { dans }(a, b),|P|<M+I,|g+P|<2M+I dans (a,b),
donc | f − P 2 | = | g 2 − P 2 | = | g − P | | g + P | < ε ′ ( 2 M + 1 ) < ε f − P 2 = g 2 − P 2 = | g − P | | g + P | < ε ′ ( 2 M + 1 ) < ε quad|f-P^(2)|=|g^(2)-P^(2)|=|g-P||g+P| < epsi^(')(2M+1) < epsi\quad\left|f-P^{2}\right|=\left|g^{2}-P^{2}\right|=|g-P||g+P|<\varepsilon^{\prime}(2 M+1)<\varepsilon|f−P2|=|g2−P2|=|g−P||g+P|<ε′(2M+1)<ε, dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b), ce qui démontre la propriété.
Nous potvons maintenant démontrer la propriété pour n n nnn quelconque. Supposons donc que f ( x ) f ( x ) f(x)f(x)f(x) soit non-concave d'ordre n n nnn dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b) et soit ε ε epsi\varepsilonε un nombre positif quelconque. On peut déterminer un m m mmm tel que l'on ait
(2) | f − P m | < ε 2 , dans ( a , b ) (2) f − P m < ε 2 ,  dans  ( a , b ) {:(2)|f-P_(m)| < (epsi)/(2)","" dans "(a","b):}\begin{equation*} \left|f-P_{m}\right|<\frac{\varepsilon}{2}, \text { dans }(a, b) \tag{2} \end{equation*}(2)|f−Pm|<ε2, dans (a,b)
P m P m P_(m)P_{m}Pm étant le polynome ( I ), généralement de degré > n > n > n>n>n. Dans ce cas P m ( n + 1 ) ≧ 0 P m ( n + 1 ) ≧ 0 P_(m)^((n+1)) >= 0P_{m}^{(n+1)} \geqq 0Pm(n+1)≧0 dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b), il existe donc un polynome partout non-négatif P ( x ) P ( x ) P(x)P(x)P(x) tel que l'ori ait
| P m ( n + 1 ) − P | < ε ( n + 1 ) ! 2 ( b − a ) n + 1 , dans ( a , b ) P m ( n + 1 ) − P < ε ( n + 1 ) ! 2 ( b − a ) n + 1 ,  dans  ( a , b ) |P_(m)^((n+1))-P| < (epsi(n+1)!)/(2(b-a)^(n+1)),quad" dans "(a,b)\left|P_{m}^{(n+1)}-P\right|<\frac{\varepsilon(n+1)!}{2(b-a)^{n+1}}, \quad \text { dans }(a, b)|Pm(n+1)−P|<ε(n+1)!2(b−a)n+1, dans (a,b)
Le polynome
Q ( x ) = ∫ a x ( x − t ) n n ! P ( t ) d t + ∑ i = 0 n ( x − a ) i i ! P n ( i ) ( a ) Q ( x ) = ∫ a x &hairsp; ( x − t ) n n ! P ( t ) d t + ∑ i = 0 n &hairsp; ( x − a ) i i ! P n ( i ) ( a ) Q(x)=int_(a)^(x)((x-t)^(n))/(n!)P(t)dt+sum_(i=0)^(n)((x-a)^(i))/(i!)P_(n)^((i))(a)Q(x)=\int_{a}^{x} \frac{(x-t)^{n}}{n!} P(t) d t+\sum_{i=0}^{n} \frac{(x-a)^{i}}{i!} P_{n}^{(i)}(a)Q(x)=∫ax(x−t)nn!P(t)dt+∑i=0n(x−a)ii!Pn(i)(a)
est convexe d'ordre n ( − ∞ , + ∞ ) n ( − ∞ , + ∞ ) n(-oo,+oo)n(-\infty,+\infty)n(−∞,+∞) et nous avons
P m ( x ) − Q ( x ) = ∫ a x ( x − t ) n n ! [ P m ( n + 1 ) ( t ) − P ( t ) ] d t P m ( x ) − Q ( x ) = ∫ a x &hairsp; ( x − t ) n n ! P m ( n + 1 ) ( t ) − P ( t ) d t P_(m)(x)-Q(x)=int_(a)^(x)((x-t)^(n))/(n!)[P_(m)^((n+1))(t)-P(t)]dtP_{m}(x)-Q(x)=\int_{a}^{x} \frac{(x-t)^{n}}{n!}\left[P_{m}^{(n+1)}(t)-P(t)\right] d tPm(x)−Q(x)=∫ax(x−t)nn![Pm(n+1)(t)−P(t)]dt
d'où
(3) | P m − Q | < ε ( n + 1 ) ! 2 ( b − a ) n + 1 ⋅ ( x − a ) n + 1 ( n + 1 ) ! ≤ ε 2 P m − Q < ε ( n + 1 ) ! 2 ( b − a ) n + 1 ⋅ ( x − a ) n + 1 ( n + 1 ) ! ≤ ε 2 quad|P_(m)-Q| < (epsi(n+1)!)/(2(b-a)^(n+1))*((x-a)^(n+1))/((n+1)!) <= (epsi)/(2)\quad\left|P_{m}-Q\right|<\frac{\varepsilon(n+1)!}{2(b-a)^{n+1}} \cdot \frac{(x-a)^{n+1}}{(n+1)!} \leq \frac{\varepsilon}{2}|Pm−Q|<ε(n+1)!2(b−a)n+1⋅(x−a)n+1(n+1)!≤ε2, dans ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b).
De (2) et (3) on déduit que
| f − Q | ≤ | f − P m | + | P m − Q | < ε 2 + ε 2 = ε , dans ( a , b ) | f − Q | ≤ f − P m + P m − Q < ε 2 + ε 2 = ε ,  dans  ( a , b ) |f-Q| <= |f-P_(m)|+|P_(m)-Q| < (epsi)/(2)+(epsi)/(2)=epsi," dans "(a,b)|f-Q| \leq\left|f-P_{m}\right|+\left|P_{m}-Q\right|<\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon, \text { dans }(a, b)|f−Q|≤|f−Pm|+|Pm−Q|<ε2+ε2=ε, dans (a,b)
ce qui démontre la propriété.
3. Nous allons donner une autre démonstration pour n = 1 n = 1 n=1n=1n=1, en nous servant directement des polynomes de M. S. Bernstein. Divisons l'intervalle ( a , b ) ( a , b ) (a,b)(a, b)(a,b) en r r rrr parties égales par les points
x i = a + i b − a r , i = 0 , 1 , … , r x i = a + i b − a r , i = 0 , 1 , … , r x_(i)=a+i(b-a)/(r),quad i=0,1,dots,rx_{i}=a+i \frac{b-a}{r}, \quad i=0,1, \ldots, rxi=a+ib−ar,i=0,1,…,r
et soit L γ ( x ) L γ ( x ) L_(gamma)(x)L_{\gamma}(x)Lγ(x) la fonction représentée par la ligne polygonale de sommets ( x i , f ( x i ) ) x i , f x i (x_(i),f(x_(i)))\left(x_{i}, f\left(x_{i}\right)\right)(xi,f(xi)). On sait que L γ ( x ) → f ( x ) L γ ( x ) → f ( x ) L_(gamma)(x)rarr f(x)L_{\gamma}(x) \rightarrow f(x)Lγ(x)→f(x) pour r → ∞ r → ∞ r rarr oor \rightarrow \inftyr→∞, uniformément dans ( a , b a , b a,ba, ba,b ). Si nous considérons les fonctions continues
φ i ( x ) = { 0 , dans ( a , x i ) x − x i , dans ( x i , b ) i = 1 , 2 , … , r − 1 φ i ( x ) = 0 ,  dans  a , x i x − x i ,  dans  x i , b i = 1 , 2 , … , r − 1 {:[varphi_(i)(x)={[0","," dans "(a,x_(i))],[x-x_(i)","," dans "(x_(i),b)]:}],[i=1","2","dots","r-1]:}\begin{aligned} \varphi_{i}(x) & = \begin{cases}0, & \text { dans }\left(a, x_{i}\right) \\ x-x_{i}, & \text { dans }\left(x_{i}, b\right)\end{cases} \\ i & =1,2, \ldots, r-1 \end{aligned}φi(x)={0, dans (a,xi)x−xi, dans (xi,b)i=1,2,…,r−1
nous pouvons écrire 2 2 ^(2){ }^{2}2 )
L r ( x ) = f ( a ) + [ a , x 1 ; f ] ( x − a ) + ∑ i = 0 γ ( x i + 2 − x i ) [ x i , x i + 1 , x i + 2 ; f ] φ i + 1 ( x ) L r ( x ) = f ( a ) + a , x 1 ; f ( x − a ) + ∑ i = 0 γ &hairsp; x i + 2 − x i x i , x i + 1 , x i + 2 ; f φ i + 1 ( x ) L_(r)(x)=f(a)+[a,x_(1);f](x-a)+sum_(i=0)^(gamma)(x_(i+2)-x_(i))[x_(i),x_(i+1),x_(i+2);f]varphi_(i+1)(x)L_{r}(x)=f(a)+\left[a, x_{1} ; f\right](x-a)+\sum_{i=0}^{\gamma}\left(x_{i+2}-x_{i}\right)\left[x_{i}, x_{i+1}, x_{i+2} ; f\right] \varphi_{i+1}(x)Lr(x)=f(a)+[a,x1;f](x−a)+∑i=0γ(xi+2−xi)[xi,xi+1,xi+2;f]φi+1(x).
On voit maintenant qu'il suffit de démontrer la propriété pour les fonctions φ i ( x ) φ i ( x ) varphi_(i)(x)\varphi_{i}(x)φi(x). Prolongeons cette fonction dans l'intervalle
( x i − b + a , x i + b − a ) x i − b + a , x i + b − a (x_(i)-b+a,x_(i)+b-a)\left(x_{i}-b+a, x_{i}+b-a\right)(xi−b+a,xi+b−a)
par
φ i ( x ) = { 0 , dans ( x i − b + a , x i ) x → x i , dans ( x i , x i + b − a ) φ i ( x ) = 0 ,       dans  x i − b + a , x i x → x i ,       dans  x i , x i + b − a varphi_(i)(x)={[0","," dans "(x_(i)-b+a,x_(i))],[x rarrx_(i)","," dans "(x_(i),x_(i)+b-a)]:}\varphi_{i}(x)= \begin{cases}0, & \text { dans }\left(x_{i}-b+a, x_{i}\right) \\ x \rightarrow x_{i}, & \text { dans }\left(x_{i}, x_{i}+b-a\right)\end{cases}φi(x)={0, dans (xi−b+a,xi)x→xi, dans (xi,xi+b−a)
et soit P m , i ( x ) P m , i ( x ) P_(m,i)(x)P_{m, i}(x)Pm,i(x) le polynome de M. S. Bernstein de degré m m mmm de cette fonction dans l'intervalle ( x i − b + a , x i + b − a ) x i − b + a , x i + b − a (x_(i)-b+a,x_(i)+b-a)\left(x_{i}-b+a, x_{i}+b-a\right)(xi−b+a,xi+b−a). On vérifie, par un calcul direct, que P m , i ′ ′ ( x ) ≥ 0 P m , i ′ ′ ( x ) ≥ 0 P_(m,i)^('')(x) >= 0P_{m, i}^{\prime \prime}(x) \geq 0Pm,i′′(x)≥0 partorat, donc P m , i P m , i P_(m,i)P_{m, i}Pm,i est convexe (d'ordre I I III ) dans ( − ∞ , − ∞ ) ( − ∞ , − ∞ ) (-oo,-oo)(-\infty,-\infty)(−∞,−∞) si m m mmm est pair. On voit maintenant que si ε ε epsi\varepsilonε est un nombre positif quelconque, si nous déterminons les entiers positifs γ γ gamma\gammaγ et s s sss de manière que
| f − L y | < ε 2 , dans ( a , b ) | φ i − P 2 s , i | < ε 2 ( r − 1 ) ( x i + 2 + x i ) [ x i , x i + 1 , x i + 2 ; f ] f − L y < ε 2 , dans ( a , b ) φ i − P 2 s , i < ε 2 ( r − 1 ) x i + 2 + x i x i , x i + 1 , x i + 2 ; f {:[|f-L_(y)| < (epsi)/(2)","dans(a","b)],[|varphi_(i)-P_(2s,i)| < (epsi)/(2(r-1)(x_(i+2)+x_(i))[x_(i),x_(i+1),x_(i+2);f])]:}\begin{gathered} \left|f-L_{y}\right|<\frac{\varepsilon}{2}, \operatorname{dans}(a, b) \\ \left|\varphi_{i}-P_{2 s, i}\right|<\frac{\varepsilon}{2(r-1)\left(x_{i+2}+x_{i}\right)\left[x_{i}, x_{i+1}, x_{i+2} ; f\right]} \end{gathered}|f−Ly|<ε2,dans(a,b)|φi−P2s,i|<ε2(r−1)(xi+2+xi)[xi,xi+1,xi+2;f]
dan
( x i − b + a , x i + b − a ) , i = 1 , 2 … , r − 1 3 ) , x i − b + a , x i + b − a , i = 1 , 2 … , r − 1 3 , {:(x_(i)-b+a,x_(i)+b-a)quad,quad i=1,2dots,r-1^(3)),\left.\left(x_{i}-b+a, x_{i}+b-a\right) \quad, \quad i=1,2 \ldots, r-1{ }^{3}\right),(xi−b+a,xi+b−a),i=1,2…,r−13),
et si nous posons
Q ( x ) = f ( a ) + [ a , x 1 ; f ] ( x − a ) + ∑ i = 0 r − 2 ( x i + 2 − x i ) [ x i , x i + 1 , x i + 2 ; f ] P 2 s , i + 1 ( x ) Q ( x ) = f ( a ) + a , x 1 ; f ( x − a ) + ∑ i = 0 r − 2 &hairsp; x i + 2 − x i x i , x i + 1 , x i + 2 ; f P 2 s , i + 1 ( x ) Q(x)=f(a)+[a,x_(1);f](x-a)+sum_(i=0)^(r-2)(x_(i+2)-x_(i))[x_(i),x_(i+1),x_(i+2);f]P_(2s,i+1)(x)Q(x)=f(a)+\left[a, x_{1} ; f\right](x-a)+\sum_{i=0}^{r-2}\left(x_{i+2}-x_{i}\right)\left[x_{i}, x_{i+1}, x_{i+2} ; f\right] P_{2 s, i+1}(x)Q(x)=f(a)+[a,x1;f](x−a)+∑i=0r−2(xi+2−xi)[xi,xi+1,xi+2;f]P2s,i+1(x).
le polynome Q ( x ) Q ( x ) Q(x)Q(x)Q(x) est partout convexe (d'ordre I) et nous avons
| f − Q | < ε , dans ( a , b ) | f − Q | < ε ,  dans  ( a , b ) |f-Q| < epsi," dans "(a,b)|f-Q|<\varepsilon, \text { dans }(a, b)|f−Q|<ε, dans (a,b)
    • Remarquons que pour m m mmm pair les polynomes P m , i P m , i P_(m,i)P_{m, i}Pm,i sont croissants dans l'intervalle ( x i − b + a , + ∞ ) x i − b + a , + ∞ (x_(i)-b+a,+oo)\left(x_{i}-b+a,+\infty\right)(xi−b+a,+∞). Nous avons donc aussi la propriété suivante:
Toute fonction continue, non-décroissante et non-concave (d'ordre I) dans l'intervalle ( a , b a , b a,ba, ba,b ) est la limite d'une suite uniformément convergente de polynomes qui sont croissants dans ( a , + ∞ a , + ∞ a,+ooa,+\inftya,+∞ ) et convexes (d'ordre 1) dans ( − ∞ , + ∞ ) ( − ∞ , + ∞ ) (-oo,+oo)(-\infty,+\infty)(−∞,+∞).
Il est clair qu'on peut trouver des polynomes d'approximation tels qu'ils soient croissants dans l'intervalle ( c , + ∞ c , + ∞ c,+ooc,+\inftyc,+∞ ), c c ccc étant un nombre ≤ a ≤ a <= a\leq a≤a mais, il est évident, qu'on ne peut pas prendre c = − ∞ c = − ∞ c=-ooc=-\inftyc=−∞. Une propriété analogue à lieu pour les fonctions continues non-croissantes et nonconcaves. Dans ce cas les polynomes sont décroissants dans
( − ∞ , d ) , où d ≥ b . ( − ∞ , d ) , où  d ≥ b .  (-oo,d)", où "d >= b". "(-\infty, d) \text {, où } d \geq b \text {. }ù(−∞,d), où d≥b. 
On peut aussi obtenir des suites de polynomes d'approximation indéfinie conservant à la fois plusieurs propriétés de convexité, partout ou dans des intervalles ( c + ∞ ) , ( − ∞ , d ) ( c + ∞ ) , ( − ∞ , d ) (c+oo),(-oo,d)(c+\infty),(-\infty, d)(c+∞),(−∞,d), mais nous n'insistons pas ici davantage sur ces questions.
Cernăuti, 27 Septembre 1938.

  1. 1 1 ^(1){ }^{1}1 ) Voir: Tiberiu Popoviciu, Sur l'approximation des fonctions convexes d'ordre supériew, «Mathematica», t. X (1935), pp. 49-54.
  2. 2 ) 2 ) ^(2)){ }^{2)}2) Pour les notations, voir mes travaux antérieurs.
    3 ) 3 ) ^(3)){ }^{3)}3) Si [ x i , x i + 1 , x i + 2 ; f ] = 0 x i , x i + 1 , x i + 2 ; f = 0 [x_(i),x_(i+1),x_(i+2);f]=0\left[x_{i}, x_{i+1}, x_{i+2} ; f\right]=0[xi,xi+1,xi+2;f]=0, nous pouvons supprimer de nos considérations 1a fonction ϕ i ϕ i phi_(i)\phi_{i}ϕi correspondante.
1938

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