Sur une généralisation des fonctions convexes

Abstrait

Traduction en anglais du titre

On a generalization of convex functions

Auteur(s)

E. Moldovan(Popoviciu)
Institutul de Calcul

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Pour citer ce travail

E. Moldovan(Popoviciu), Sur une généralisation des fonctions convexes. (French) Mathematica (Cluj) 1 (24) 1959 49–80.

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Mathematica Cluj

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SUR UNE GÉNERALISATION DES FONCTIONS CONVEXES

par
ELENA MOLDOVAN
à Cluj

Ce travail est divisé en 4 §§. Dans le §​1\S 1 nous donnons quelques propriétés des ensembles de fonctions interpolatoires. Les §§ 2 et 3 contiennent la définition et une introduction dans l’étude des fonctions convexes par rapport à un ensemble de fonctions interpolatoires. Dans le § 4, comme application, nous donnons un théorème de la moyenne pour les fonctionnelles continues, définies sur l’ensemble des fonctions continues sur un intervalle (fini et fermé) donné. La démonstration de ce théorème est basée sur les propriétés des fonctions convexes au sens de la définition du § 2.

Ce travail est lié à l’idée de l’étude de la relation d’un ensemble de fonctions avec un de ses sous-ensembles. Telle par ex. la relation des fonctions définies sur un intervalle donné, par rapport à l’ensemble des polynomes d’un degré donné, ou bien la relation des fonctions continues et dérivables un nombre suffisant de fois, par rapport aux intégrales d’une équation différentielle donnée.

Dans ce travail nous cherchons à éviter la rectriction de la linéarité des ensembles des fonctions qui interviennent. Nous souslignons ce fait, puisque les possibilités actuelles de calculs à l’aide des machines éléctroniques rapides, font que l’aspect non linéaire de certaines théories mathématiques commence a ne plus être un obstacle devant leurres applications pratiques.

Dans ce travail nous avons laissé de côté l’étude des propriétés différentielles des fonctions convexes par rapport à un ensemble interpolatoire. Sur ces questions nous reviendrons dans un autre travail.

Quelques propriétés des ensembles de fonctions interpolatoires

  1. 1.
    • —

      Définition 1. - L’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, formé par des fonctions réelle. et d’une variable réelle, est dit un ensemble interpolatoire d’ordre nn sur l’en. semble linéaire EE, ou simplement un ensemble du type In​{E}I_{n}\{E\} si :
      (A). Les éléments de ℱn\mathscr{F}_{n} sont continues sur EE.
      (B). Quels que soient les nn points distincts de EE,
      (1)

x1,x2,…,xnx_{1},x_{2},\ldots,x_{n}

et quels que soient les nn nombres

y1,y2,…,yny_{1},y_{2},\ldots,y_{n} (2)

il existe une fonction et une seule φ​(x)∈ℱn\varphi(x)\in\mathscr{F}_{n} telle que l’on ait

φ​(xi)=yi,i=1,2,…,n.\varphi\left(x_{i}\right)=y_{i},\quad i=1,2,\ldots,n. (3)

La fonction φ​(x)∈ℱn\varphi(x)\in\mathscr{F}_{n} qui vérifie les conditions (3) sera désignée par L​(x1,x2,…,xn;y1,y2,…,yn∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y_{1},y_{2},\ldots,y_{n}\mid x\right) et aussi par L​(x1,x2,…,xn;f∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right), lorsque f​(x)f(x) est une fonction qui prend les valeurs (2) aux points correspondants (1).

Si, en particulier, l’ensemble EE se réduit à l’intervalle fermé [a,b[a,b. resp. à l’intervalle ouvert ( a,ba,b ), pour In​{E}I_{n}\{E\}, nous employerons aussi hh notation In​[a,b]I_{n}[a,b] resp. In​(a,b)I_{n}(a,b). Nous employons des notations analogue dans le cas des intervalles semi-ouverts (a,b],[a,b)(a,b],[a,b). L’ensemble pnp_{n} des polynomes du degré n−1n-1 est un ensemble du type In​(−∞,∞)I_{n}(-\infty,\infty) et l’ensemble T2​n+1T_{2n+1} des polynomes trigonométriques d’ordre nn est du type I2​n+1[a,bI_{2n+1}[a,b. si b−a<2​πb-a<2\pi. En général, l’ensemble des intégrales d’une équation différentielle linéaire et homogène d’ordre nn à coefficients continues sur un intervalle donné (le coefficient de y(n)y^{(n)} étant égal à 1) est interpolatoir d’ordre nn sur tout sous-intervalle suffisamment petit [13].

Dans les exemples précédents, l’ensemble fnf_{n} est linéaire*) Il existe aussi des ensembles interpolatoire non linéaires. Un exemple simple d’un tel ensemble est l’ensemble ’ Dn​(A)D_{n}(A) des polynomes A​xn+a1​xn−1+…+anAx^{n}+a_{1}x^{n-1}+\ldots+a_{n} où AA est fixe et les autres coefficients sont variables. Cet ensemble est dt type In​(−∞,∞)I_{n}(-\infty,\infty) et n’est pas linéaire si A≠0A\neq 0.

Les ensembles du type In​[a,b]I_{n}[a,b] ont été introduits par L. TORNHEN [14] sous la dénomination d’ensembles à nn paramètres et par m. I. MOROZOI [6] sous la dénomination de classes de fonctions d’approximation.

Dans ce travail nous utiliserons les théorèmes de moyenne relatifs aus ensembles du type In​[a,b]I_{n}[a,b] et que nous avons déjà considérés dans d’autrè travaux [3,4]
2. Lemme 1. - ℱn\mathscr{F}_{n} étant un ensemble du type In​[a,b],n>1I_{n}[a,b],n>1, s φ1​(x),φ2​(x)∈Fn\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x)\in F_{n} sont distincts mais coincident en n−1n-1 points distincts

00footnotetext: *). Donc, avec deux de ses éléments f1,f2f_{1},f_{2} contient toute combinaison linéaire a​f1+fi−af_{1}+f^{i-}. de ces éléments, α,β\alpha,\beta étant des nombres réels quelconques.

x2,…,xn−1x_{2},\ldots,x_{n-1}, la différence φ1​(x)−φ2​(x)\varphi_{1}(x)-\varphi_{2}(x) change de signe en passant par tout point xi∈(a,b)x_{i}\in(a,b).

Nous avons donné ailleurs la démonstration [3].

théoreme 1. - Considérons les suites convergentes de nombres {xj(i)}i=1∞,j=1,2,…,n\left\{x_{j}^{(i)}\right\}_{i=1}^{\infty},j=1,2,\ldots,n où xj(i)∈[a,b],j=1,2,…,n,i=1,2,…,xl(i)≠xk(i)x_{j}^{(i)}\in[a,b],j=1,2,\ldots,n,i=1,2,\ldots,x_{l}^{(i)}\neq x_{k}^{(i)} si l≠kl\neq k et dont les limites respectives xj,j=1,2,…,nx_{j},j=1,2,\ldots,n sont supposées être distinctes. Considérons également les suites convergentes de nombres {yj(i)}i=1∞\left\{y_{j}^{(i)}\right\}_{i=1}^{\infty}, j=1,2,…,nj=1,2,\ldots,n ayant respectivement pour limites les nombres yj,j=1,2,…,ny_{j},j=1,2,\ldots,n.

Dans ces conditions la suite
{L​(x1(i),x2(i),…,xn(t);y1(i),y2(i),…​yn(i)∣x)}i=1∞\left\{L\left(x_{1}^{(i)},x_{2}^{(i)},\ldots,x_{n}^{(t)};y_{1}^{(i)},y_{2}^{(i)},\ldots y_{n}^{(i)}\mid x\right)\right\}_{i=1}^{\infty} dont les termes appartiennent à l’ensemble ℱn\mathcal{F}_{n} du type In​[a,b]I_{n}[a,b], converge uniformément sur [a,b][a,b] vers la jonction L​(x1,x2,…,xn;y1,y2,…,yn∣x)∈ℱnL\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y_{1},y_{2},\ldots,y_{n}\mid x\right)\in\mathscr{F}_{n}.

C’est le théorème de l. Tornheim [14]. Nous le retrouvons aussi chez m. I. MOROZOV [6].
3. - Définition 2. - La fonction f​(x)f(x) définie sur l’intervalle [a,b][a,b] est dite n-valente par rapport à l’ensemble fnf_{n} du type In​[a,b]I_{n}[a,b] si, quelle que soit la fonction φ​(x)∈ℱn\varphi(x)\in\mathcal{F}_{n}, la différence f​(x)−φ​(x)f(x)-\varphi(x) s’annule, sur l’intervalle [a,b][a,b], sur au plus nn points.

Cette notion de fonction nn-valente a été introduite, dans le cas particulier ℱn=𝒫n\mathcal{F}_{n}=\mathcal{P}_{n}, part. popoviciu [12]. Dans ce cas pour n=1n=1, on retrouve la notion classique d’univalence.
theoreme 2. – Si f​(x)f(x) est continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et est nn-valente par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n} du type In​[a,b]I_{n}[a,b] et si les points xi∈[a,b]x_{i}\in[a,b], i=1,2,…,ni=1,2,\ldots,n sont distincts, la différence f​(x)−L​(x1,x2,…,xn;f∣x)f(x)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right) change de signe en passant par tout point xi∈(a,b)x_{i}\in(a,b).

Pour démontrer ce théorème, supposons que

x1<x2<…<xnx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n} (4)

et soit n≧2n\geqq 2. Supposons que la différence f​(x)−L​(x1,x2,…,xn;f∣x)f(x)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right) garde le même signe sur les intervalles ( xk−1,xkx_{k-1},x_{k} ), ( xk,xk+1x_{k},x_{k+1} ), où xk∈(a,b)x_{k}\in(a,b) et où on a posé x0=a,xn+1=bx_{0}=a,x_{n+1}=b. Pour fixer les idées supposons que la différence en question soit >0>0 pour x∈(xk−1,xk)∪(xk,xk+1)x\in\left(x_{k-1},x_{k}\right)\cup\left(x_{k},x_{k+1}\right). Les éléments de fnf_{n} qui coincident avec f​(x)f(x) sur les n−1n-1 points x1,x2,…,xk−1,xk+1,…,xnx_{1},x_{2},\ldots,x_{k-1},x_{k+1},\ldots,x_{n} forment un ensemble du type I1​(xk−1,xk+1)I_{1}\left(x_{k-1},x_{k+1}\right). Si la suite de nombres {ηi}i=0∞\left\{\eta_{i}\right\}_{i=0}^{\infty} à termes positifs tend vers zéro, en vertu du théorème 1, la suite de fonctions

{L​(x1,x2,…,xn;f1,f2,…,fk−1,ηi+fk,fk+1,…,fn∣x)}i=1∞\displaystyle\left\{L\left(x_{1},x_{2},\ldots,\mathrm{x}_{n};f_{1},f_{2},\ldots,f_{k-1},\eta_{i}+f_{k},f_{k+1},\ldots,f_{n}\mid x\right)\right\}_{i=1}^{\infty} (5)
fi=f​(xi),i=1,2,…,n\displaystyle f_{i}=f\left(x_{i}\right),\quad i=1,2,\ldots,n

tend uniformément vers L​(x1,x2,…,xn;f∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right) sur tout intervalle fermé appartenant à (xk−1,xk+1)\left(x_{k-1},x_{k+1}\right). A partir d’un certain rang les termes de la suite (5) coincident avec la fonction f​(x)f(x) sur au moins deux points distincts de ( xk−1,xk+1x_{k-1},x_{k+1} ). C’est en contradiction avec l’hypothèse que la fonction f​(x)f(x) est nn-valente par rapport à 𝒻n\mathscr{f}_{n}. Le théorème est donc démontré pour n≧2n\geqq 2. Si n=1n=1 la démonstration est analogue, en prenant la suite {L​(x1;ηi+f1∣x)}i=1∞\left\{L\left(x_{1};\eta_{i}+f_{1}\mid x\right)\right\}_{i=1}^{\infty} au lieu de (5).

On procède de la même manière si la différence f(x)−L(x1,x2,…,xn;1∥xf(x)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n;1}\|_{x}\right. reste négative sur (xk−1,xk)∪(xk,xk+1)\left(x_{k-1},x_{k}\right)\cup\left(x_{k},x_{k+1}\right).

Au § 2 nous donnerons aussi d’autres propriétés des fonctions nva n_{\text{va }} lentes par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b].
4. - FnF_{n} étant toujours un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b], considéron un système de n+1n+1 points distincts de l’intervalle [a,b][a,b],
(6)

x1<x2<…<xn<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<x_{n+1}

et n+1n+1 nombres quelconques
(7)

y1,y2,…,yn,yn+1y_{1},y_{2},\ldots,y_{n},y_{n+1}

Définition 3. - L’ensemble des n+1n+1 fonctions

L(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y1,y2,…,yi−1,yt+1,…,yn+1∣x\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y_{1},y_{2},\ldots,y_{i-1},y_{t+1},\ldots,y_{n+1}\mid x\right. (8)
i=1,2,…,n+1\displaystyle i=1,2,\ldots,n+1

est dit un système interpolatoire sur les points (6) et par rapport aux nombre (7).

Pour les fonctions (8) nous utiliserons aussi la notation

L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right)

S’il existe un élément de ℱn\mathscr{F}_{n} qui sur les points (6) prend les valeurs (i correspondantes, le système (8) est formé par une seule fonction. Dans 1 t cas contraire le système ( 8 ) est formé par n+1n+1 fonctions distinctes. Dan : ce cas, deux quelconques des fonctions (8) coincident sur n−1n-1 points de 1 suite (6). En vertu du lemme 1, la différence

L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣x)−\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right)-
−L​(x1,x2,…,xk−1,xk+1,…,xn+1;y∣x),i≠k\displaystyle-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{k-1},x_{k+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right),\quad i\neq k

change de signe en passant par les n−1n-1 points où elle s’annule. Lorsqué yn+1>L​(x1,x2,…,xn;y∣xn+1)y_{n+1}>L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x_{n+1}\right) nous avons donc

yi> resp. <L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣xi)y_{i}>\text{ resp. }<L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x_{i}\right) (9)

suivant que i+n+1i+n+1 est pair resp.impair. Lorsque yn+1<L(x1,x2,…,xn;y∣xn+1y_{n+1}<L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x_{n+1}\right. les inégalités (9) ont lieu suivant que i+n+1i+n+1 est impair resp. pair.

Les fonctions (8) ont des importantes propriétés qui résultent de la définition 1 et du lemme 1. Plus loin nous donnerons quelques’unes de ce propriétés.
5. - Lemme 2. - Si xn+1<x0∈[a,b]x_{n+1}<x_{0}\in[a,b], nous avons
suivant que

≧L​(x2,x3,…,xn+1;y∣x0)≦ resp. ≧\displaystyle\geqq L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{n+1};y\mid x_{0}\right)\leqq\text{ resp. }\geqq (10)
que
L​(x1,x2,…,xn;y∣xn+1)≧ resp. ≦yn+1L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x_{n+1}\right)\geqq\text{ resp. }\leqq y_{n+1} (11)

Pour la démonstration remarquons d’abord que si dans (11) nous avons l’égalité, l’ensemble (8) est composé par une seule fonction et le lemme 2 en résulte. Dans le cas contraire, en tenant compte du fait que deux des fonctions (8) coincident en n−1n-1 points (6), du lemme 1 il résulte que (12) L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣xi)>L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x_{i}\right)> resp. <yi,i=2,3,…,n<y_{i},\quad i=2,3,\ldots,n suivant que i+n+1i+n+1 est pair resp. impair ou suivant que i+n+1i+n+1 est impair resp. pair si nous avons la première resp. la seconde inégalité (11). Dans le premier cas, pour xn<x<xn+1x_{n}<x<x_{n+1}, nous avons

L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣x)<\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right)<
<L​(x2,x3,…,xn+1;y∣x),i=2,3,…,n\displaystyle<L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right),\quad i=3,\ldots,n

et done, pour x>xn+1x>x_{n+1} nous aurons

L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣x)>\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right)>
>L​(x1,x2,…,xn+1;y∣x),i=2,3,…,n\displaystyle>L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};y\mid x\right),\quad i=3,\ldots,n

Dans le second cas nous avons pour xn<x<xn+1x_{n}<x<x_{n+1} et x>xn+1x>x_{n+1} respectivement les inégalités contraires.

Lemme 3. - Si xn+1<x0∈[a,b]x_{n+1}<x_{0}\in[a,b], nous avons

L​(x1,x2,…,xn;y∣x0)≧ resp. ≦\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x_{0}\right)\geqq\text{ resp. }\leqq (13)
≦L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;y∣x0),i=2,3,…,n.\displaystyle\leqq L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};y\mid x_{0}\right),i=2,3,\ldots,n.

suivant que nous avons (11).
La démonstration de ce lemme est analogue à celle du lemme 2 .
Les inégalités signalées par les lemmes 2,3 donnent des indications sur les fonctions (8), qui ont un rôle dans l’étude des ensembles du type In​[a,b]I_{n}[a,b].
6. - Considérons les m(≧n+1)m(\geqq n+1) points

x1<x2<…<xmx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{m} (14)

et les nombres

y1,y2,…,ymy_{1},y_{2},\ldots,y_{m} (15)

Sur tout groupe de nn points distincts xi1,xi2,…,xinx_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n}} extraits de la suite (14) on peut construire la fonction L​(xi1,xi2,…,xin;y∣x)L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x\right) qui appartient à ℱn\mathscr{F}_{n}, du type In​[a,b]I_{n}[a,b]. Nous supposons toujours que 1≦i1<i2<<…<in≦m1\leqq i_{1}<i_{2}<<\ldots<i_{n}\leqq m et xm<bx_{m}<b. Nous avons alors le
théoreme 3. - Si xin<x0≦bx_{i_{n}}<x_{0}\leqq b, le nombre

L​(xi1,xi2,…,xin;y∣x0)L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x_{0}\right) (16)

est compris entre le plus petit et le plus grand des nombres

L​(xj​xj+1,…,xj+n−1;y∣x0),j=i1,i1+1,…,in−n+1L\left(x_{j}x_{j+1},\ldots,x_{j+n-1};y\mid x_{0}\right),j=i_{1},i_{1}+1,\ldots,i_{n}-n+1 (17)

On peut dire que la valeur de la fonction L​(xi1,…,xin;y∣x)su L\left(x_{i_{1}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x\right)_{\text{su }} le point x0x_{0} est une moyenne des valeurs sur x0x_{0} des fonctions L​(xj,xj+1,…,xj+n−1;y∣x),j=i1,i1+1,…,in−n+1L\left(x_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n-1};y\mid x\right),j=i_{1},i_{1}+1,\ldots,i_{n}-n+1, construite sur des groupes de mm points consécutifs de la suite (14). Nous avons done

minj=i1,i1÷1,…,in−n÷1⁡L​(xj,xj÷1,…,xj÷π−1;y∣x0)≦\displaystyle\min_{j=i_{1},i_{1}\div 1,\ldots,i_{n}-n\div 1}L\left(x_{j},x_{j\div 1},\ldots,x_{j\div\pi-1};y\mid x_{0}\right)\leqq (18)
≦L​(xi1,xi2,…,xin;y∣x0)≦\displaystyle\leqq L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x_{0}\right)\leqq
≦maxj=i1,i1÷1,…,in−n÷1⁡L​(xj,xj÷1,…,xj÷n−1;y∣x0),(xin<x0≦b)\leqq\max_{j=i_{1},i_{1}\div 1,\ldots,i_{n}-n\div 1}L\left(x_{j},x_{j\div 1},\ldots,x_{j\div n-1};y\mid x_{0}\right),\quad\left(x_{i_{n}}<x_{0}\leqq b\right)

Les égalités ont lieu si et seulement si les nombres (17) sont tous égaux
La démonstation du théoréme 3 est basée sur les lemmes 2, 3. Ce deux lemmes constituent, en réalité, le cas particulier 1=i1<i2<…<in==n+11=i_{1}<i_{2}<\ldots<i_{n}==n+1 du théorème. Nous procédons par induction complète sur le nombre in−i1i_{n}-i_{1} des points de la suite (14) compris entre xi1x_{i_{1}} it xinx_{i_{n}} Nous avons in−i1≧n−1i_{n}-i_{1}\geqq n-1. Si in−i1=n−1i_{n}-i_{1}=n-1, les points xijx_{i_{j}} sont consécutifs et la propriété est évidemment vraie, avec le signe == dans (18). Si in−i1=ni_{n}-i_{1}=n, il existe un indice kk, tel que ik<ik+1<ik+1i_{k}<i_{k}+1<i_{k+1} et le point xik+1x_{i_{k+1}} est compris entre xikx_{i_{k}} et xik+1x_{i_{k+1}}. Considérons les points

xi1,xi2,…,xik,xik+1,xik+1,…,xinx_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{k}},x_{i_{k}+1},x_{i_{k+1}},\ldots,x_{i_{n}} (19)

Si xin<x0<bx_{i_{n}}<x_{0}<b les 1 mmes 2,3 nous montrent que
lorque

L(xi2,xi3,…,xik,xik+1,xik+1,…,xin;y(x0)<\displaystyle L\left(x_{i_{2}},x_{i_{3}},\ldots,x_{i_{k}},x_{i_{k}+1},x_{i_{k+1}},\ldots,x_{i_{n}};y\left(x_{0}\right)<\right. (20)
<L(xi1,xi2,…,xik,xik+1,…,xin;y(x0)<\displaystyle<L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{k}},x_{i_{k+1}},\ldots,x_{i_{n}};y\left(x_{0}\right)<\right.
<\displaystyle< L​(xi1,xi2,…,xik,xik+1,xik+1,…,xin−1;y​x0)\displaystyle L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{k}},x_{i_{k+1}},x_{i_{k+1}},\ldots,x_{i_{n-1}};yx_{0}\right)

(21)

L​(xi1,xi2,…,xik,xik+1,xik+1,…,xin−1;y∣xin)>yinL\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{k}},x_{i_{k}+1},x_{i_{k+1}},\ldots,x_{i_{n-1}};y\mid x_{i_{n}}\right)>y_{i_{n}}

Si au lieu de (21) nous avons l’inégalité contraire, dans (20) il faut aussi prendre partout les inégalités contraires. Le signe == a lieu simultanément dans (20), (21). Il en résulte que le théorème 3 est vraie pour in−i1=ni_{n}-i_{1}=n.

Supposons maintenant que la propriété ait lieu pour i2−i1≦v,v≧ni_{2}-i_{1}\leqq v,v\geqq n et démontrons qu’elle reste vraie aussi pour in−i1=v+1i_{n}-i_{1}=v+1. Si in−i1=v+1i_{n}-i_{1}=v+1, il existe un indice pp, pour lequel ip+1−ip>1i_{p+1}-i_{p}>1. Considérons les points (22)

xi1,xi2,…,xip,xip+1,xip+1,…,xin.x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{p}},x_{i_{p}+1},x_{i_{p+1}},\ldots,x_{i_{n}}.

En appliquant à ces points le même raisonnement que nous avons fait

minj=1,2⁡L​(xij,xij+1,…,xip,xip+1,xip+1,…,xij+n−2;y∣x0)≦\displaystyle\min_{j=1,2}L\left(x_{i_{j}},x_{i_{j+1}},\ldots,x_{i_{p}},x_{i_{p+1}},x_{i_{p+1}},\ldots,x_{i_{j+n-2}};y\mid x_{0}\right)\leqq (23)
≦L​(xi1,xi2,…,xip,xip+1,…,xin;y∣x0)≦\displaystyle\quad\leqq L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{p}},x_{i_{p+1}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x_{0}\right)\leqq
≦maxj=1,2⁡L​(xij,xij+1,…,xip,xip+1,xip+1,…,xij+n−2;y∣x0)\displaystyle\leqq\max_{j=1,2}L\left(x_{i_{j}},x_{i_{j+1}},\ldots,x_{i_{p}},x_{i_{p+1}},x_{i_{p+1}},\ldots,x_{i_{j+n-2}};y\mid x_{0}\right)

Posons
est une valeur moyenne des nombres

L​(xj,xj+1,…,xj+n−1;y∣x0),j=i1,i1+1,…,in−1−n+1L\left(x_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n-1};y\mid x_{0}\right),j=i_{1},i_{1}+1,\ldots,i_{n-1}-n+1 (24)

et L​(xi3,xi3,…,xip,xip+1,xip+1,…,xin;y∣x0)L\left(x_{i_{3}},x_{i_{3}},\ldots,x_{i_{p}},x_{i_{p+1}},x_{i_{p+1}},\ldots,x_{i_{n}};y\mid x_{0}\right) une valeur moyenne des nombres

L​(xj,xj+1,…,xj+n−1;y∣x0),j=i2,i2+1,…,in−n+1L\left(x_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n-1};y\mid x_{0}\right),j=i_{2},i_{2}+1,\ldots,i_{n}-n+1 (25)

De (23) il résulte donc (17) et le théorème 3 est démontré.
7. - Considérons les points (6) et la fonction f​(x)f(x) définie sur ces points.

D​[x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi;f]=\displaystyle D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i};f\right]= (26)
=\displaystyle= f​(xi)−L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;f∣xi)\displaystyle f\left(x_{i}\right)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f\mid x_{i}\right) (6))

Pour chaque valeur de i=1,2,…,n+1i=1,2,\ldots,n+1 (26) est une fonctionnelle définie sur les fonctions f=f​(x)f=f(x) définies sur les points (6). Nous avons le
théoreme 4. - Si les points (6) restent fixes et si la suite {fk​(x)}k=1∞\left\{f_{k}(x)\right\}_{k=1}^{\infty}, des fonctions lk​(x)l_{k}(x), définies sur l’intevalle [a,b][a,b] converge sur [a,b][a,b] vers la fonction limite /(x)/(x), alors pour chaque ii, nous avons

limk→∞D​[x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi;fk]=\displaystyle\lim_{k\rightarrow\infty}D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i};f_{k}\right]= (27)
=D​[x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi;f]\displaystyle\quad=D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i};f\right]

La démonstration résulte du théorème 1. En effet, sous les hypothèses du théorème 4, la suite de fonctions
{L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;fk∣x)}k=1∞\left\{L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f_{k}\mid x\right)\right\}_{k=1}^{\infty}, converge uniformément, sur [a,b][a,b], vers la fonction L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;f∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f\mid x\right). Il en résulte que la suite de nombres
{L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;fk∣x0)}k=1∞\left\{L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f_{k}\mid x_{0}\right)\right\}_{k=1}^{\infty} tend, pour k→∞k\rightarrow\infty, vers le nombre L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;f∣x0)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f\mid x_{0}\right). De fk​(xi)→f​(xi)f_{k}\left(x_{i}\right)\rightarrow f\left(x_{i}\right), pour k→∞k\rightarrow\infty, il résulte la relation (27).

Si nous fixons la fonction f​(x)f(x) et si nous varions d’une façon continue, les points x1,x2,…,xn+1x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1}, de manière qu’ils restent distincts, pour chaque i,D​[x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi;f]i,D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i};f\right] devient une fonction Φi​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi)\Phi_{i}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i}\right) de n+1n+1 variables. Nous avons le
théoreme 5. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b], les fonctions Φi​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1,xi)​i=1,2,…,n+1\Phi_{i}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1},x_{i}\right)i=1,2,\ldots,n+1 sont continues sur tout point où elles ont été définies.

La démonstration résulte facilement du théorème 1. Il est inutile de la reproduire ici.
théoreme 6. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et si pour deux groupes de n+1n+1 points x1<x2<…<xn+1,x1′<<x2′<…<xn+1′​d​e​[a,b]x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1},x_{1}^{\prime}<<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n+1}^{\prime}de[a,b] nous avons
D​[x1,x2,…,xn,xn+1;t]=A,D​[x1′,x2′,…,xn′,xn+1′;t]≈BD\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};t\right]=A,D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime},x_{n+1}^{\prime};t\right]\approx B où A≠BA\neq B, quel que soit le nombre CC compris entre A,BA,B (au sens strict), i] existe, dan’s le plus petit intervalle contenant les points xi,xi′,i=1,2x_{i},x_{i}^{\prime},i=1,2, , n+1n+1, un système de n+1n+1 points ξ1<ξ2<…<ξn+1\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n+1} tel que l’on ail D​[ξ1,ξ2,…,ξn,ξn+1;f]=CD\left[\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n},\xi_{n+1};f\right]=C.

Pour démontrer*) le théorème posons tt​(λ)=λ​xi+(1−λ)​xi′​i=1,2,…,n+1,λt_{t}(\lambda)=\lambda x_{i}+(1-\lambda)x_{i}^{\prime}i=1,2,\ldots,n+1,\lambda étant un nombre réel, 0≦λ≦10\leqq\lambda\leqq 1. En vertu du théorème 5,ψ​(λ)=D​[t1​(λ),t2​(λ),…,tn​(λ),tn+1​(λ);f]5,\psi(\lambda)=D\left[t_{1}(\lambda),t_{2}(\lambda),\ldots,t_{n}(\lambda),t_{n+1}(\lambda);f\right] est une fonction continue de ii. sur l’intervalle [0,1][0,1]. Nous avons ψ​(0)=A,ψ​(1)=B\psi(0)=A,\psi(1)=B et en vertu d’une propriété bien connue, il existe un λ0∈(0,1)\lambda_{0}\in(0,1), tel que ψ​(λ0)=C\psi\left(\lambda_{0}\right)=C. Les points ξi=ti​(λ0),i=1,2,…,n+1\xi_{i}=t_{i}\left(\lambda_{0}\right),i=1,2,\ldots,n+1 vérifient la conclusion du théorème 6 .
théoreme 6′6^{\prime}.- Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et si sur les points x1<x2<…<xn+1,x1′<x2′<…<xn+1′x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1},x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n+1}^{\prime} de [a,b][a,b] nous avons D​[x1,x2,…,xn+1;f]<0,D​[x1′,x2′,…,xn′,xn+1′;f]>0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]<0,D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime},x_{n+1}^{\prime};f\right]>0, il existe, dans le plus petit intervalle qui contient les points xi,xi′,i=1,2,…,n+1x_{i},x_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,n+1, un système de n+1n+1 points ξ1<ξ2<…<ξn+1\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n+1} tels que l’on ait

D​[ξ1,ξ2,…,ξn,ξn+1;f]=0D\left[\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n},\xi_{n+1};f\right]=0

C’est un cas particulier du théorème 6. Nous l’avons donné puisqu’il interviendra sous cette forme dans la suite.
théoreme 7. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et si pour les n+1n+1 points x1<x2<…<xn<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<x_{n+1} de [a,b][a,b] nous avons D​[x1,x2,…,xn,xn+1;t]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};t\right]=0, il existe un point ζ¯∈(x1,xn+1)\bar{\zeta}\in\left(x_{1},x_{n+1}\right) qui jouit de la propriété que dans chacune de ses voisinage on peut trouver n+1n+1 points ξ1<ξ2<…<ξn<ξn+1\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n}<\xi_{n+1} tel que l’on ait D​[ξ1,ξ2,…,ξn,ξn+1;t]=0D\left[\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n},\xi_{n+1};t\right]=0.

La démonstration est fondée sur les lemmes suivants
Lemme 4. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et si :
1∘.φ​(x)∈Fn1^{\circ}.\varphi(x)\in F_{n} et la différence f​(x)−φ​(x)f(x)-\varphi(x) s’annule sur les points x1<<x2<…<xn+1​d​e​[a,b]x_{1}<<x_{2}<\ldots<x_{n+1}de[a,b].
2∘.f​(x)−φ​(x)2^{\circ}.f(x)-\varphi(x) ne s’annule pas sur les intervalles (xi,xi+1)​i=1,2,…,n\left(x_{i},x_{i+1}\right)i=1,2,\ldots,n.
3∘.f​(x)−φ​(x)3^{\circ}.f(x)-\varphi(x) ne change pas de signe en kk des points xi,i=2,3,…,nx_{i},i=2,3,\ldots,n, 1≦k≦n−1​(n≧2)1\leqq k\leqq n-1(n\geqq 2),
il existe alors un φ1​(x)∈Fn\varphi_{1}(x)\in F_{n} tel que la différence f​(x)−φ1​(x)f(x)-\varphi_{1}(x) s’annule sur n+k+1n+k+1 points de [x1,xn+1]\left[x_{1},x_{n+1}\right] en changeant de signe sur n+kn+k de ces points situés à l’intérieur de cet intervalle.
fnf_{n} est toujours un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b].
Pour la démonstration du lemme supposons d’abord que k=n−1k=n-1. Le sous-ensemble de ℱn\mathscr{F}_{n} dont les éléments prend la valeur f​(x1)f\left(x_{1}\right) au point x1x_{1}, est un ensemble du type In−1​(x1,b]I_{n-1}\left(x_{1},b\right]. Supposons que φ​(x)−f​(x)≧0\varphi(x)-f(x)\geqq 0 pour x∈(x1,xn+1)x\in\left(x_{1},x_{n+1}\right). Alors si ε>0\varepsilon>0 est suffisamment petit, la différence L(x1,x2,…,xn;f(x1),f(x2)−ε,…,f(xn)−ε(x)−f(x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\left(x_{1}\right),f\left(x_{2}\right)-\varepsilon,\ldots,f\left(x_{n}\right)-\varepsilon(x)-f(x)\right. s’annule, en changeant de signe en au moins 2​k+1=2​n−12k+1=2n-1 points de ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ). On procède de la même manière si φ​(x)−f​(x)≦0\varphi(x)-f(x)\leqq 0.

00footnotetext: *). La démonstration est analogue à celle donnée dans théorème de moyenne du page 8.

Si k=n−jk=n-j où 2≦j≦n−12\leqq j\leqq n-1, soit xi1<xi2<…<xin−1−kx_{i_{1}}<x_{i_{2}}<\ldots<x_{i_{n-1-k}} ceux des points xi,i=2,3,…,nx_{i},i=2,3,\ldots,n sur lesquels f​(x)−φ​(x)f(x)-\varphi(x) s’annule en changeant de signe. Les éléments de ℱn\mathscr{F}_{n} qui prendent les mêmes valeurs que f​(x)f(x) sur les points x1,xi1,xi2,…,xin−1−kx_{1},x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n-1-k}} forment un ensemble du type Ik​{M}I_{k}\{M\} où ℳ\mathcal{M} est la réunion des intervalles [x1+η,xi1−η],[xi1+η,xi2−η],…\left[x_{1}+\eta,x_{i_{1}}-\eta\right],\left[x_{i_{1}}+\eta,x_{i_{2}}-\eta\right],\ldots, [xin−2−k+η,xin−1−k−η],[xin−1−k+η,b]\left[x_{i_{n-2-k}}+\eta,x_{i_{n-1-k}}-\eta\right],\left[x_{i_{n-1-k}}+\eta,b\right] où η>0\eta>0 est assez petit. Soient x1∗,x2∗,…,xk∗x_{1}^{*},x_{2}^{*},\ldots,x_{k}^{*} ceux des points xi,i=2,3,…,nx_{i},i=2,3,\ldots,n où f​(x)−φ​(x)f(x)-\varphi(x) s’annule sans changer de singne. Considérons la différence

L(x1,xi1,xi2…,xin−1−k,x1∗,x2∗,…,xk∗;f1,fi1,…,fin−1−k,y1\displaystyle L\left(x_{1},x_{i_{1}},x_{i_{2}}\ldots,x_{i_{n-1-k}},x_{1}^{*},x_{2}^{*},\ldots,x_{k}^{*};f_{1},f_{i_{1}},\ldots,f_{i_{n-1-k}},y_{1}\right. (28)
,y2,…,yk(x)−f(x),(fi=f(xi))\displaystyle,y_{2},\ldots,y_{k}(x)-f(x),\left(f_{i}=f\left(x_{i}\right)\right)

où

yi={f​(xi∗)+ε​si⁡f​(x)−φ​(x)≧0​ au voisinage de ​xi∗f​(xi∗)−ε​si⁡f​(x)−φ​(x)≦0​ au voisinage de ​xi∗y_{i}=\left\{\begin{array}[]{l}f\left(x_{i}^{*}\right)+\varepsilon\operatorname{si}f(x)-\varphi(x)\geqq 0\text{ au voisinage de }x_{i}^{*}\\ f\left(x_{i}^{*}\right)-\varepsilon\operatorname{si}f(x)-\varphi(x)\leqq 0\text{ au voisinage de }x_{i}^{*}\end{array}\right.

Si s>0s>0 est assez petit, la différence (28) s’annule en changeant de signe sur au moins n+kn+k points de l’intervalle ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ) Le lemme 4 est démontré. La démonstration utilise le théorème 1 et le lemme 1 .

Lemme 5 . - Si la fonction f​(x)f(x) est continue sur l’intervalle [a,b][a,b] et si pour les points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1}, nous avons D​[x1,x2,…,xn+1;f]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]=0, il existe, dans l’intervalle ouvert ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ), n+1n+1 points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1}, tel que D​[x1′,x2′,…,xn′,xn+1′;j]=0D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime},x_{n+1}^{\prime};j\right]=0.

Pour la démonstration nous distinguons deux cas :
(α)(\alpha). La différence f​(x)−L​(x1,x2,…,xn;f∣x)f(x)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right) ne change pas de signe sur les intervalles (xi,xi+1),i=1,2,…,n\left(x_{i},x_{i+1}\right),i=1,2,\ldots,n.
( β\beta ). La différence f​(x)−L​(x1,x2,…,xn;f∣x)f(x)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right) change de signe sur mm point de ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ) différents des points xi,i=1,2,…,nx_{i},i=1,2,\ldots,n

Dans le cas (α)(\alpha) nous avons φ​(x1)=f​(xi),i=1,2,…,n+1\varphi\left(x_{1}\right)=f\left(x_{i}\right),i=1,2,\ldots,n+1 si φ(x)==L(x1,x2,…,xn;f∣x)\varphi(x)==L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right). Si la différence φ​(x)−f​(x)\varphi(x)-f(x) change de signe sur les points xi,i=2,3,…,nx_{i},i=2,3,\ldots,n, nous considérons la fonction interpolatoire φ1​(x)\varphi_{1}(x) qui sur les points xi′=1/2​(xi+xi+1),i=1,2,…,nx_{i}^{\prime}=1/2\left(x_{i}+x_{i+1}\right),i=1,2,\ldots,n prend les valeurs de la fonction f​(x)f(x). Les nombres f​(xi′)−φ​(xi′),i=1,2,…,nf\left(x_{i}^{\prime}\right)-\varphi\left(x_{i}^{\prime}\right),i=1,2,\ldots,n sont alternativement positifs et négatifs et il en résulte que la différence φ​(x)−φ1​(x)\varphi(x)-\varphi_{1}(x) s’annule n−1n-1 fois, notamment sur un point au moins de chacun des intervalles (xi′,xi+1′),i=1,2,…,n\left(x_{i}^{\prime},x_{i+1}^{\prime}\right),i=1,2,\ldots,n. Nous distinguons deux sous-cas :
(α′)​φ1​(x)−f​(x)\left(\alpha^{\prime}\right)\varphi_{1}(x)-f(x) s’annule, sans changer de signe sur au moins un point xix_{i}.
(α′′)​φ1​(x)−f​(x)\left(\alpha^{\prime\prime}\right)\varphi_{1}(x)-f(x) change de signe sur chacun des points xi′x_{i}^{\prime}.
Dans le cas ( α′\alpha^{\prime} ), de la même manière que dans la démonstration du lemme 4, nous pouvons construire un élément de ℱn\mathscr{F}_{n} qui coincide avec j​(x)j(x) sur au moins n+1n+1 points de l’intervalle ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ).

Dans le cas (α′′)\left(\alpha^{\prime\prime}\right), si φ1​(x)−f​(x)\varphi_{1}(x)-f(x) ne change pas de signe sur aucun des intervalles (xi′,xi+1′),i=1,2,…,n\left(x_{i}^{\prime},x_{i+1}^{\prime}\right),i=1,2,\ldots,n, nous avons sgn {φ(x)−f(x)}==sgn{φ1(x)−f(x)}\{\varphi(x)-f(x)\}==\operatorname{sgn}\left\{\varphi_{1}(x)-f(x)\right\} lorsque xx est soit dans un voisinage gauche soit dans un voisinage droite de chacun des points xi′,i=1,2,…,nx_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,n. Mais les fonctions.
φ1​(x),φ​(x)\varphi_{1}(x),\varphi(x) ne peuvent coincider sur plus de n−1n-1 points. La différence φ1​(x)−f​(x)\varphi_{1}(x)-f(x) doit donc s’annuler sur ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ) sur un point différent des points xi,i=1,2,…,nx_{i},i=1,2,\ldots,n. Il en résulte que la différence φ1​(x)−f​(x)\varphi_{1}(x)-f(x) devient nulle sur au moins n−1n-1 points de l’intervalle ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ).

Si φ1​(x)−f​(x)\varphi_{1}(x)-f(x) change de signe sur un des intervalles (xi,xi+1′)​i=1,2,…\left(x_{i},x_{i+1}^{\prime}\right)i=1,2,\ldots, nn, cette différence s’annule sur n+1n+1 points de ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ).

Si φ1​(x)−f​(x)\varphi_{1}(x)-f(x) ne change pas de signe sur l’un au moins des points xix_{i}, i=2,3,…,ni=2,3,\ldots,n, nous appliquons le lemme 4 et nous revenons ainsi au cas ( α′\alpha^{\prime} ), ( α′′\alpha^{\prime\prime} ) du plus haut.

Passons à l’étude du cas ( β\beta ). Supposons m=1m=1 et soit x∗x^{*} un point de (xj,xj+1)\left(x_{j},x_{j+1}\right) tel que f​(x∗)−L​(x1,x2,…,xn;f∣x∗)=0f\left(x^{*}\right)-L\left(x_{1},\mathrm{x}_{2},\ldots,x_{n};f\mid x^{*}\right)=0. Aiors nous appli. quons le raisonnement fait dans le cas ( α\alpha ) soit pour les point x1,x2,…x_{1},x_{2},\ldots, xj,x∗,xj+1,…,xnx_{j},x^{*},x_{j+1},\ldots,x_{n} soit pour les points x2,x3,…,xj,x∗,xj+1,…,xn+1x_{2},x_{3},\ldots,x_{j},x^{*},x_{j+1},\ldots,x_{n+1}.

Lorsque m>1m>1 l’existence des points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1} est évidente.
Nous allons maintenant revenir à la démonstration du théorème 7. D’après le lemme 5, nous pouvons construire une suite infinie d’intervalles [x1,xn+1],[x1′,xn+1′],…,[x1(k),xn+1(k)],…\left[x_{1},x_{n+1}\right],\left[x_{1}^{\prime},x_{n+1}^{\prime}\right],\ldots,\left[x_{1}^{(k)},x_{n+1}^{(k)}\right],\ldots, telle que
1∘​x1<x1′<…<x1(k)​…,xn+1>xn+1′>…>xn+1(k)​…1^{\circ}x_{1}<x_{1}^{\prime}<\ldots<x_{1}^{(k)}\ldots,x_{n+1}>x_{n+1}^{\prime}>\ldots>x_{n+1}^{(k)}\ldots
2∘2^{\circ} Dans chacun des intervalles [x1(k),xn+1(k)]\left[x_{1}^{(k)},x_{n+1}^{(k)}\right] il existent n−1n-1 points x2(k),x3(k),…,xn(k)x_{2}^{(k)},x_{3}^{(k)},\ldots,x_{n}^{(k)} de manière que D​[x1(k),x2(k),…,xn(k),xn+1(k);I]=0D\left[x_{1}^{(k)},x_{2}^{(k)},\ldots,x_{n}^{(k)},x_{n+1}^{(k)};I\right]=0
3∘​limk→∞(xn+1(k)−x1(k))=03^{\circ}\lim_{k\rightarrow\infty}\left(x_{n+1}^{(k)}-x_{1}^{(k)}\right)=0
Pour construire la suite des intervalles [x1(k),xn+1(k)],k=1,2,…\left[x_{1}^{(k)},x_{n+1}^{(k)}\right],k=1,2,\ldots à l’aide du lemme 5 , nous partons de l’hypothèse qu’on peut toujours mettre en évidence n+1n+1 points ,,consécutifs" sur lesquels une fonction de ℱn\mathscr{F}_{n} coincide avec f​(x)f(x). Cette hypothèse se justifie par le fait que si on ne peut pas trouver n+1n+1 racines consécutives de la différence entre f​(x)f(x) et un élément de ℱn\mathscr{F}_{n}, le nombre des intervalles contigues à l’ensemble fermé appartenantà [x1,xn+1]\left[x_{1},x_{n+1}\right] et sur lequel cette différence est nulle, est plus petit que nn. Il est alors facile de voir que f​(x)f(x) coincide avec la fonction interpolatoire sur tout un intervalle. Dans ce cas l’existence du point 𝝃\boldsymbol{\xi} du théorème 7 est évidente.

La propriété 3∘3^{\circ} résulte toute de suite du théorème 1. Soit limx1(k)==α,limk→∞xn+1(k)=β\lim x_{1}^{(k)}==\alpha,\lim_{k\rightarrow\infty}x_{n+1}^{(k)}=\beta. Nous pouvons supposer que β−α.\beta-\alpha.\quad soit égale à la borne inférieure des longueur des intervalles [α,β][\alpha,\beta] qui peuvent être construits de la manière indiquée. Il suffit de démontrer que cette borne inférieure est égale à 0 , donc que β−α=0\beta-\alpha=0 où α=β\alpha=\beta. En effet, supposons le contraire, donc que l’on ait α≠β\alpha\neq\beta. Pour tout kk il existe une fonction interpolatoire qui coincide avec f​(x)f(x) sur n+1n+1 points de [x1(k),xn+1(k)]\left[x_{1}^{(k)},x_{n+1}^{(k)}\right]. De l’ensemble de ces fonctions nous pouvons extraire une suite {φk​(x)}∞=1,φk​(xi(k))=f​(xi(k)),i=1,2,…,n+1,k=1,2,…\left\{\varphi_{k}(x)\right\}^{\infty}=1,\varphi_{k}\left(x_{i}^{(k)}\right)=f\left(x_{i}^{(k)}\right),i=1,2,\ldots,n+1,k=1,2,\ldots qui tend uniformément sur [a,b][a,b] vers une fonction φ​(x)\varphi(x) de ℱn\mathscr{F}_{n}. Nous pouvols toujours choisir les points xi(k)x_{i}^{(k)} de manière que limx(k)−limx(k)=\lim x^{(k)}-\lim x^{(k)}=
=β=\beta et que les suites {xi(k)}k=1∞,i=2,3,…,n\left\{x_{i}^{(k)}\right\}_{k=1}^{\infty},i=2,3,\ldots,n soient convergents. Les limites, pour k→∞k\rightarrow\infty, des points xi(k),i=1,2,…,n+1x_{i}^{(k)},i=1,2,\ldots,n+1 ne sont pas nécessairement touts distinctes mais la suite {φk​(x)}k=1∞\left\{\varphi_{k}(x)\right\}_{k=1}^{\infty} peut être choisie de manière que nn au moins de ce limites soient distinctes. Cette propriété résulte de la remarque suivante : Si n=1n=1 la propriété est claire. Si n=2n=2 et D​[x1,x2,x3;f]=0D\left[x_{1},x_{2},x_{3};f\right]=0, quel que soit le point x2′∈(x1,x3)x_{2}^{\prime}\in\left(x_{1},x_{3}\right) il existe un point x1′<x2′x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime} ou un point x3′>x2′x_{3}^{\prime}>x_{2}^{\prime} tel que D​[x1′,x2′,x3;f]=0D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},x_{3};f\right]=0 ou D[x1,x2′,x3′;f]==0D\left[x_{1},x_{2}^{\prime},x_{3}^{\prime};f\right]==0. Dans le cas n>2n>2 remarquons que l’ensemble des elements de ℱn\mathscr{F}_{n} qui coincident avec f​(x)f(x) sur les points x1(k),x2(k),…,xi−1(k),xi+2(k),…x_{1}^{(k)},x_{2}^{(k)},\ldots,x_{i-1}^{(k)},x_{i+2}^{(k)},\ldots, xn+1(k)x_{n+1}^{(k)} ( kk étant donné) forment un ensemble du type I2​[xi−1(k),xi+2(k)]I_{2}\left[x_{i-1}^{(k)},x_{i+2}^{(k)}\right], quel que soit i=2,3,…,n−1i=2,3,\ldots,n-1. Nous pouvons appliquer, à l’un des points xi(4),xi+1(k)x_{i}^{(4)},\quad x_{i+1}^{(k)} le raisonnement que nous avons utilisé dans le cas n=2n=2 pour le point x2x_{2}. Puisque les n−2n-2 points x3(k),x4(k),…,xn(k)x_{3}^{(k)},x_{4}^{(k)},\ldots,x_{n}^{(k)} peuvent être remplaçés par n−2n-2 autres points quelconques de l’intervalle ( x1(k),xn+1(k)x_{1}^{(k)},x_{n+1}^{(k)} ), il en résulte que nous pouvons trouver les intervalles [αi,βi],i=1,2,…,n−2\left[\alpha_{i},\beta_{i}\right],i=1,2,\ldots,n-2 de manière que les différences αi−βi−1,i=2,3,…,n−2\alpha_{i}-\beta_{i-1},i=2,3,\ldots,n-2 soient plus grand qu’un nombre positif η\eta et de manière que xi(k)∈(αi,βi),i=1,2,…x_{i}^{(k)}\in\left(\alpha_{i},\beta_{i}\right),i=1,2,\ldots, n−2n-2. Il en résulte que la fonction limite φ​(x)\varphi(x) coincide avec f​(x)f(x) sur n+1n+1 points de [α,β][\alpha,\beta] parmi lesquels il yy a au plus deux qui soient confondus. Il résulte aussi que nous pouvons trouver n+1n+1 points distincts de [α,β][\alpha,\beta] sur lesquels f​(x)f(x) coincide avec un élément de ℱn\mathscr{F}_{n}. Ceci contredit la définition de l’intervalle [α,β][\alpha,\beta] si α≠β\alpha\neq\beta. Nous avons α=β\alpha=\beta, justement ce qu’il fallait démontrer.

Il est facile de voir que le point ξ\xi peut toujours être choisi de manière que parmi les points ξi\xi_{i} il y ait au moins un non à gauche et au moins un non à droit de ξ\xi. Cette propriété de séparation peut encore être précisée dans le cas où la fonction est convenablement particularisée. Nous allons revenir sur cette question au § 2.
8. - Nous allons faire quelques applications. Les théorèmes 6, 7 généralisent certains théorèmes de la moyenne bien connus dans l’analyse classique.

Considérons l’ensemble , Pn+1P_{n+1} du type In+1​(−∞,∞)I_{n+1}(-\infty,\infty) formé par tous les polynomes du degré nn. Si la fonction f​(x)f(x) est définie sur les points x1x_{1}, x2,…,xn+1x_{2},\ldots,x_{n+1} la fonction interpolatoire L​(x1,x2,…,xn+1;f∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\mid x\right) se réduit au polynome de Lagrange

P​(x1,x2,…,xn+1;f∣x)=∑i=1n+1f​(xi)ιi(n)​(x)P\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\mid x\right)=\sum_{i=1}^{n+1}f\left(x_{i}\right)\quad\iota_{i}^{(n)}(x) (29)

où

ℓi(n)​(x)=l​(x)(x−xi)​ℓ′​(xi),ℓ​(x)=∏i=1n+1(x−xi)\ell_{i}^{(n)}(x)=\frac{l(x)}{\left(x-x_{i}\right)\ell^{\prime}\left(x_{i}\right)},\quad\ell(x)=\prod_{i=1}^{n+1}\left(x-x_{i}\right) (30)

Si x0≠xi,i=1,2,…,n+1x_{0}\neq x_{i},i=1,2,\ldots,n+1, nous avons

D​[x1,x2,…,xn,xn+1,x0;f]=f​(x0)−\displaystyle D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1},x_{0};f\right]=f\left(x_{0}\right)- (31)
−P​(x1,x2,…,xn+1;f∣x0)=l​(x0)​[x1,x2,…,xn+1,x0;f]\displaystyle-P\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\mid x_{0}\right)=l\left(x_{0}\right)\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1},x_{0};f\right]

où [x1,x2,…,xn,xn+1,x0;f]\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1},x_{0};f\right] est la différence divisée d’ordre n+1n+1 sur les noeuds x1,x2,…,xn,xn+1,x0x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1},x_{0}, de la fonction f​(x)f(x). Le coefficient L​(x0)L\left(x_{0}\right) étant toujours différent de zéro, du théorème 7 il résulte la propriété suivante de l’ensemble : ρn+1\rho_{n+1} :

Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle II et si pour les points x1#<x2∗<…<xn÷2∗x_{1}^{\#}<x_{2}^{*}<\ldots<x_{n\div 2}^{*} de II nous avons [x1∗,x2∗,…,xn+2∗;j]=0\left[x_{1}^{*},x_{2}^{*},\ldots,x_{n+2}^{*};j\right]=0, il existe un point ξ∈(x1∗,xn+2∗)\xi\in\left(x_{1}^{*},x_{n+2}^{*}\right) tel que dans tout voisinage de ξ\xi il existent n+2n+2 points ξ1∗<ξ2∗<…<ξn+2∗\xi_{1}^{*}<\xi_{2}^{*}<\ldots<\xi_{n+2}^{*} pour lesquels [ξ1∗,ξ2∗,…,ξu+2∗;f]−0​[9]\left[\xi_{1}^{*},\xi_{2}^{*},\ldots,\xi_{u+2}^{*};f\right]-0[9].

La différence divisée ⌊x1,x2,…,xn+1;f⌋\left\lfloor x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right\rfloor est le coefficient de xnx^{n} dans le polynome d’interpolation (29). Soit maintenant l’ensemble Dn+1​(A)D_{n+1}(A) des polynomes du degré nn dans lesquels le cofficient de xnx^{n} est égal à AA et qui est du type In​(−∞,∞)I_{n}(-\infty,\infty). Si’l existe dans Dn+1​(A)D_{n+1}(A) un polynome qui prend les valeurs f​(xi)f\left(x_{i}\right) sur les n+2n+2 points xix_{i} respectifs, alors [x1,x2,…,xn+1;f]=A\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]=A. Dans ce cas le théorème 7 nous donne la propriété valable pour l’ensemble 𝒫n+1​(A)\mathcal{P}_{n+1}(A) :

Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle II et si sur les points x1∗<x2∗<…<xn+1∗x_{1}^{*}<x_{2}^{*}<\ldots<x_{n+1}^{*} de I nous avons [x1∗,x2∗​…,xn+1∗;f]=A\left[x_{1}^{*},x_{2}^{*}\ldots,x_{n+1}^{*};f\right]=A, il existe un point de (x1∗,xn+1∗)\left(x_{1}^{*},x_{n+1}^{*}\right) tel que chacun de ses viosinages contient n+1n+1 points ξ1∗,ξ2∗,…,ξn+1∗\xi_{1}^{*},\xi_{2}^{*},\ldots,\xi_{n+1}^{*} (distincts) pour lesquels [ξ1∗,ξ2∗,…,ξn+1∗;f]=A\left[\xi_{1}^{*},\xi_{2}^{*},\ldots,\xi_{n+1}^{*};f\right]=A.

Si n=1n=1 et si la fonction f​(x)f(x) est dérivable sur l’intervalle ( x1∗,x2∗x_{1}^{*},x_{2}^{*} ) on déduit la formule des accroissements finis. Dans ce cas A=i​(x2)−f​(x1)x2−x1A=\frac{i\left(x_{2}\right)-f\left(x_{1}\right)}{x_{2}-x_{1}}.

Remarquons que si au lieu de l’ensemble 𝒟n+1\mathcal{D}_{n+1}, nous considérons l’enveloppe linéaire d’un système Tschebycheff-Markoff formé par les foctions φ1​(x),φ2​(x),…,φn+1​(x)\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x),\ldots,\varphi_{n+1}(x), nous retrouvons les théorèmes de moyenne pour les différences divisées généralisées respectives (voir T. popoviciu [10], où cette différence divisée est définie)

Pour terminer remarquons que dans le cas de l’ensemble Fn+1F_{n+1}, si nous fixons le dernier coefficient du polynome de la forme a0xn+a1xn+1+…++ana_{0}x^{n}+a_{1}x^{n+1}+\ldots++a_{n}, donc si nous considérons l’ensemble des polynomes a0xn+a1xn−1++…+an−1x+Aa_{0}x^{n}+a_{1}x^{n-1}++\ldots+a_{n-1}x+A, où, ai,i=0,1,…,n−1a_{i},i=0,1,\ldots,n-1 sont variables et AA est fixe, nous obtenons un ensemble interpolatoire d’ordre nn sur tout intervalle ne contenant pas l’origine. Dans ce cas, pour n=1n=1, du théorème 7 il résulte l’analogue discret du théorème de la moyenne de d. pompeiu [7] et, sous l’hypothèse de la dérivabilité, le théorème même de d. POMPEIU*.) Le cas n>1n>1 nous donne une extension de ce théorème. Les théorèmes de moyennes valables pour les autres coefficients du polynome de Lagrange sont aussi contenus dans le théorème 7 .

de POMPEIU. Cette formule revient, d’ailleurs, à la f x1−x2x_{1}-x_{2} quée à la fonction x​f​(1/x)xf(1/x).

On sait que pour les différence divisées il existe aussi un théorème de la moyenne sur un ensemble discret de points [9]. Sa généralisation pour le cas d’un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b] résulte du théorème 3 . Au § 3 nous donnerons cette généralisation.
9. - théorème 8. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b],n[a,b],n-valente par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n} du type In​[a,b]I_{n}[a,b], D​[x1,x2,…,xn,xn+1;f]D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right] garde le même signe pour les points x1<x2<<…<xn+1x_{1}<x_{2}<<\ldots<x_{n+1} de [a,b][a,b].

La démonstration de ce théorème résulte du théorème 6’ . En effet, supposons que, sous les hypothèses du théorème 8 , il existe deux systèmes chacun de n+1n+1 points x1<x2<…<xn+1;x1′<x2′<…<xn+1′x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1};x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n+1}^{\prime} tels que D​[x1,x2,…,xn,xn+1;f]>0,D​[x1′,x2′,…,xn′,xn+1′;f]<0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right]>0,D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime},x_{n+1}^{\prime};f\right]<0. Du théorème 6′6^{\prime} il résulte l’existence d’un système de n+1n+1 points x1′′<x2′′<<…<xn+1′′x_{1}^{\prime\prime}<x_{2}^{\prime\prime}<<\ldots<x_{n+1}^{\prime\prime} tel que D​[x1′′,x2′′,…,xn′′,xn+1′′;f]=0D\left[x_{1}^{\prime\prime},x_{2}^{\prime\prime},\ldots,x_{n}^{\prime\prime},x_{n+1}^{\prime\prime};f\right]=0, ce qui contredit la nn-valence de la foction f​(x)f(x).

Dans l’énoncé du théorème 8 , l’hypothèse de la continuité de la fonction f​(x)f(x) est essentielle*).

L’importance de l’étude des propriétés des fonctions nn-valentes par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b] a son origine précisément dans le théorème 8. Au § 2 nous reviendrons sur cette question.

§ 2.

La notion de tonction convexe par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b].

  1. 1.
    • —

      Considérons l’ensemle ℱn\mathscr{F}_{n} du type In​[a,b]I_{n}[a,b], les points

x1<x2<…<xn<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<x_{n+1} (32)

de l’intervalle [a,b][a,b] et la foction f​(x)f(x) définie sur les points (32)
Définition 4. - La fonction f​(x)f(x) est dite convexe, polynomiale resp. concave, par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, sur les points (32), suivant que

D[x1,x2,…,xn,xn+1;f]>,= resp. <0.D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right]>,=\text{ resp. }<0. (33)

On voit toute de suite, compte tenant des propriétés du système interpolatoire (8), que si f​(x)f(x) est convexe par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, sur les points (32), on a les inégalités

(−1)n+1−i​{f​(xi)−L​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1;f∣xi)}>0i=1,2,…,n+1\begin{gathered}(-1)^{n+1-i}\left\{f\left(x_{i}\right)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1};f\mid x_{i}\right)\right\}>0\\ i=1,2,\ldots,n+1\end{gathered}

et bien entendus, si f​(x)f(x) est concave par rapport à fnf_{n} sur les points (32), nous avons les inégalitès contraire (partout << au lieu de >> ).

00footnotetext: *). Voir dans [12] un exemple dans le cas de l’ensemble D1D_{1}.

Considérons maintenant le sous-ensemble EE de [a,b][a,b], ayant au moins n+1n+1 points et supposons que la fonction f​(x)f(x) soit définie sur EE.

Définition 5. - La fonction f​(x)f(x) est dite convexe, non-concave, polynomiale, non-convexe resp. concave par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n}, sur l’ensemble E, E_{\text{, }} suivant que
(34) D[x1,x2,…,xn,xn+1;f]>,≧,=,≦D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right]>,\geqq,=,\leqq resp. <0<0 pour tout système de n+1n+1 poinst x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1} de EE.

Toute fonction qui vérifie une des propriétés de la définition 5 sera dite une fonction d’ordre nn par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n} et sur l’ensemble EE. Pour simplifier le langage, nous employerons aussi les dénominations de ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe, ℱn\mathscr{F}_{n}-non-concave, ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomiale, ℱn\mathscr{F}_{n}-non-convexe resp. de F n-concave pour les fonctions appartenant aux classes respectives précisées par la définition 5.

Les fonctions d’ordre nn par rapport à l’ensemble ∅n\varnothing_{n} ont été étudiées par t. popoviciu [9]). Le cas n=2,ℱ2n=2,\mathscr{F}_{2} quelconque, a été considéré par beckenbach [2]. Dans ce § nous reprenons aussi une définition de L. tornheim [14].
2. - théoreme 9. - Pour que la jonction f​(x)f(x) soit fnf_{n} - convexe sur les points
(35)

x1<x2<…<xm,m≧n+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{m},\quad m\geqq n+1

il faut et il suffit qu’elle soit ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe sur tout système de n+1n+1 points consécutifs xj,xj+1,…,xj+n,j=1,2,…,m−nx_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n},\quad j=1,2,\ldots,m-n de la suite (35).

La démonstration de ce théorème est basée sur le théorème 3. La nécésité de la condition est évidente. Le fait que la condition est aussi suffisant résulte de la manière suivante. Soit n≧2n\geqq 2 et soient satisfaites les inégalités suivantes

D​[xj,xj+1,…,xj+n;f]>0,j=1,2,…,m−nD\left[x_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n};f\right]>0,\quad j=1,2,\ldots,m-n (36)

Nous avons donc aussi

L(xj,xj+1,…,xj+n−1;f∣xj+n)<<L​(xj+1,xj+2,…,xj+n;f∣xj+n),j=1,2,…,m−n−1\begin{array}[]{cl}L\left(x_{j},x_{j+1},\ldots,x_{j+n-1};\right.&\left.f\mid x_{j+n}\right)<\\ <L\left(x_{j+1},x_{j+2},\ldots,x_{j+n};f\mid x_{j+n}\right),&j=1,2,\ldots,m-n-1\end{array}

En vertu du théorème 3 , nous avons aussi

L​(xi1,xi2,…,xin;f∣xin+1)<f​(xin+1)L\left(x_{i_{1}},x_{i_{2}},\ldots,x_{i_{n}};f\mid x_{i_{n+1}}\right)<f\left(x_{i_{n+1}}\right) (38)

quel que soit le système de n+1n+1 points xi1<xi2<…<xin+1x_{i_{1}}<x_{i_{2}}<\ldots<x_{i_{n+1}} extraits de la suite (35). La propriété résulte des inégalités (38) Si n=1n=1 nous tenons compte du fait que deux éléments distincts de ℱ1\mathscr{F}_{1} ne peuvent coincider sur aucun point de [a,b][a,b]. Dans ce cas de D​[xj,xj+1;f]>0D\left[x_{j},x_{j+1};f\right]>0, j=1,2,…,m−1j=1,2,\ldots,m-1 il résulte que L(x1;f∣xi)<f(xi),i=2,3,…m, L(x2;f∣xi)<f(xi),i=3,4,…,m,…,L(xm−2;f∣xi)<f(xi),i=…−−1,mL\left(x_{1};f\mid x_{i}\right)<f\left(x_{i}\right),i=2,3,\ldots m_{\text{, }}L\left(x_{2};f\mid x_{i}\right)<f\left(x_{i}\right),i=3,4,\ldots,m,\ldots,L\left(x_{m-2};f\mid x_{i}\right)<f\left(x_{i}\right),i=\ldots--1,m.

Un théorème analogue au théorème 9 a lieu pour les autres types de fonctions d’ordre nn par rapport à fnf_{n} sur l’ensemble (35).
3. - théorème 10, - Si la fonction f​(x)f(x), définie sur l’intervalle [a,b][a,b] est d’ordre nn par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} et si n≥2n\geq 2, elle est continue sur l’intervalle ouvert ( a,ba,b ).

Pour la démonstration soit x0x_{0} un point de (a,b)(a,b) et supposons f​(x)​ℱnf(x)\mathscr{F}_{n} - convexe sur l’intervalle [a,b][a,b]. Considérons aussi les n+1n+1 points de [a,b][a,b],

x1<x2<…<xi<x0<xi+1<…<xn.x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{i}<x_{0}<x_{i+1}<\ldots<x_{n}. (39)

Les fonctions

L​(x1,x2,…,xi,x0,xi+1,…,xn−1;f∣x)\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n-1};f\mid x\right) (40)
L​(x2,x3,…,xi,x0,xi+1,…,xn;f∣x)\displaystyle L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)

coincident sur x0x_{0} avec f​(x0)f\left(x_{0}\right) et, pour h>0h>0 suffisamment petit, nous avons

L​(x,x3,…,xi,x0,xi+1,…,xn;f∣x0+h)<f​(x0+h)<\displaystyle L\left(x,x_{3},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n};f\mid x_{0}+h\right)<f\left(x_{0}+h\right)< (41)
<L​(x1,x2,…,xi,x0,xi+1,…,xn−1;f∣x0+h)\displaystyle<L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n-1};f\mid x_{0}+h\right)

et

L​(x2,x3,…,xi,x0,xi+1,…,xn;f∣x0−h)>f​(x0−h)>\displaystyle L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n};f\mid x_{0}-h\right)>f\left(x_{0}-h\right)> (42)
>L​(x1,x2,…,xi,x0,xi+1,…,xn−1;f∣x0−h)\displaystyle\quad>L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i},x_{0},x_{i+1},\ldots,x_{n-1};f\mid x_{0}-h\right)

ou les inégalités contraires (sans égalité) suivant que n+i+1n+i+1 est pair ou impair. Les fonctions (40) étant continues, en faisant h→0h\rightarrow 0, la continuité de f​(x)f(x) sur le point x0x_{0} en résulte.

La proprité reste vraie aussi pour les autres types de fonctions d’ordre nn.
théoreme 11. - Si la fonction f​(x)f(x) est d’ordre 1 par rapport à l’ensemble ℱ1\mathcal{F}_{1} sur l’intervalle [a,b][a,b], elle ne peut avoir que des discontinuités de première espèce.

La démonstration de ce théorème est basée sur le fait que deux fonctions distinctes de ℱ1\mathscr{F}_{1} ne peuvent coincider sur aucun point de [a,b][a,b]. Pour fixer les idées, supposons que f​(x)f(x) soit f1f_{1}-non-concave sur [a,b][a,b]. Nous avons donc D​[x1,x2;f]≧0D\left[x_{1},x_{2};f\right]\geqq 0, quels que soient x1<x2x_{1}<x_{2} Soit x0∈[a,b]x_{0}\in[a,b] et {xv}v=1∞,xv>x0,v=1,2,…\left\{x_{v}\right\}_{v=1}^{\infty},x_{v}>x_{0},v=1,2,\ldots une suite de points de [a,b][a,b] tendant vers x0x_{0}. En vertu de la remarque faite plus haut sur les éléments de ℱ1\mathscr{F}_{1}, nous pouvons supposer que la suite {xv}v=1∞\left\{x_{v}\right\}_{v=1}^{\infty} soit décroissante. La suite de fonctions {L​(xv;f∣x)}v=1∞\left\{L\left(x_{v};f\mid x\right)\right\}_{v=1}^{\infty} est non-croissante et bornée inférieurement par 1a fonction L​(x0;f∣x)L\left(x_{0};f\mid x\right) Cette suite, en vertu du théorème 1 , est uniformément convergente sur [a,b][a,b]. De là résulte la convergence de la suite de nombres {f​(xν)}ν=1∞\left\{f\left(x_{\nu}\right)\right\}_{\nu=1}^{\infty}. Nous avons ainssi démontré l’existence de la limite à droite f​(x0+0)f\left(x_{0}+0\right) sur le point x0x_{0}. On démontre de la même manière l’existence de la limite à gauche f​(x0−0)f\left(x_{0}-0\right) sur le point x0∈[a,b]x_{0}\in[a,b].

On fait la démonstration de la même manière pour les autres catégories de fonctions d’ordre 1.
théoreme 12. - Si la fonction f​(x)f(x) est d’ordre nn par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, sur l’intervalle [a,b][a,b] et si elle est ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomiale sur les points (32), elle est aussi ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomiale sur l’intervalle ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ).

Pour démontrer le théorème, il suffit de montrer que, sous les hypothèses énoncées, sur tout point de ( x1,xn+1x_{1},x_{n+1} ) la valeur de la fonction f​(x)f(x) coincide avec celle de L​(x1,x2,…,xn;j∣x)L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};j\mid x\right). Supposons le contraire, done qu’il existe un point x0​ϵ​(x1,xn+1)x_{0}\epsilon\left(x_{1},x_{n+1}\right) pour lequel

f(x0)≠L(x1,x2,…,xn;f(x0)f\left(x_{0}\right)\neq L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\left(x_{0}\right)\right. (43)

Soit xk<x0<xk+1x_{k}<x_{0}<x_{k+1} et considérons les fonctions

L​(x1,…,xk,x0,xk+1,…​xn−1;f∣x)\displaystyle L\left(x_{1},\ldots,x_{k},x_{0},x_{k+1},\ldots x_{n-1};f\mid x\right) (44)
L​(x2,x3,…,xk,x0,xk+1,…,xn;f∣x)\displaystyle L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k},x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)

Si x0<xnx_{0}<x_{n}, les différences

L​(x1,x2,…,xn;f∣x)−L​(x1,x2,…,xk,x0,xk+1,…,xn−1;j​x)\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{k},x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n-1};jx\right)
L​(x1,x2,…,xn;f∣x)−L​(x2,x3,…,xk,x0,xk+1,…,xn;j​x)\displaystyle L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\mid x\right)-L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k},x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n};jx\right)

ont des signes contraires pour x>xnx>x_{n}. Dans ce cas le nombre f​(xn+1)f\left(x_{n+1}\right) est compris entre les valeurs des fonctions (44) sur le point xn+1x_{n+1}. C’est en contradiction avec l’hypothèse que f​(x)f(x) soit d’ordre nn par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} sur [a,b][a,b]. Si xn<x0<xn+1x_{n}<x_{0}<x_{n+1}, par suite de (43), les nombres Dx1,x2,…,xn,x0;f]\left.Dx_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{0};f\right], D​[x2,x3,…,xn,x0,xn+1;f]D\left[x_{2},x_{3},\ldots,x_{n},x_{0},x_{n+1};f\right] sont de signes contraires. Ceci est également en contradiction avec l’hypothèse faite sur la fonction f​(x)f(x). Le théorème 12 est donc démontré. Remarquons que la démonstration s’étend aussi au cas n=1n=1.
4. - Définition 6. - Un sous-ensemble & de [a,b][a,b], ayant au moins n+1n+1 points, sera dit un ensemble de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité de la fonction f​(x)f(x) définie sur [a,b][a,b] si pour tout système de n+1n+1 points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1} de ℰ\mathcal{E} on a D​[x1,x2,…,xn,xn+1;f]=0\mathrm{D}\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right]=0.

En se basant sur le théorème 12 , on peut faire un étude détaillé des ensembles de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomiálité d’une fonction f​(x)f(x) d’ordre nn par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} sur [a,b][a,b]. Si n≧2,f​(x)n\geqq 2,f(x) est continue sur (a,b)(a,b). Dans ce cas tout ensemble ℒ∈(a,b)\mathscr{L}\in(a,b) de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité de f​(x)f(x) contient tout ses points d’accumulation qui ne coincident pas avec aa au avec bb. Si limℰ≠b\lim\mathscr{E}\neq b, fim ℰ≠a\mathscr{E}\neq a, ℰ\mathscr{E} est un ensemble fermé. Si a∈ℰ′,a∈ℒa\in\mathscr{E}^{\prime},a\in\mathscr{L}, la fonction f​(x)f(x) doit être continue sur aa. La même remarque est valable pour l’extrémité droite bb. En vertu du théorème 12 , l’ensemble ℰ\mathcal{E} est convexe, donc contient avec deux de ses points tout point compris entre ces points. Il en résulte que 𝒞\mathscr{C} est un intervalle (qui ne se réduit pas à un point).

Soient ℒ1,ℒ2\mathscr{L}_{1},\mathscr{L}_{2} deux ensembles de 𝒻n\mathscr{f}_{n}-polynomialité. Si l’intersectioll ℰ1∩ℰ2\mathscr{E}_{1}\cap\mathscr{E}_{2} a plus d’un point, la réunion ℰ1∪ℰ2\mathscr{E}_{1}\cup\mathscr{E}_{2} est un ensemble de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité. Dans le cas contraire, ℒ1∪ℰ2\mathscr{L}_{1}\cup\mathscr{E}_{2} peut ne pas être un ensemble de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité. En réunissant toujours deux ensembles de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité qui ont plus d’un point commun, l’ensemble FF de tous les ensembles de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialité de la fonction f​(x)f(x), d’ordre nn par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} sur [a,b][a,b], est un ensemble d’intervalles, deux quelconques ayant au plus un {}^{\text{un }} point en commun et parmi lesquls deux au plus ne sont pas fermés. FF est au plus dénombrable.

Si n=1,f​(x)n=1,f(x) peut aussi avoir des discontinuités à l’intérieur de l’intervalle [a,b][a,b]. Tout ensemble de ℱn\mathscr{F}_{n}-polynomialités est un intervalle, mais, contrairement au cas n≧2n\geqq 2, l’ensemble FF peut contenir plus de deux intervalles non fermés.
5. - thíoreme 13. - Si f​(x)f(x) est une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b], la condition nécessaire et suffisante pour qu’elle soit ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b][a,b] est qu’elle soit nn-valente par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} sur [a,b][a,b].

Pour la démonstration nous nous basons sur le théorème 6. Supposons que les hypothèses de ce théorème soient vérifiées. Alors D​[x1,x2,…,xn,xn+1;f]D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\right] garde son signe pour tout système de points (32) de [a,b].f​(x)[a,b].f(x) est donc ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n}-concave suivant que ce signe est + ou - . La condition du théorème énoncé est donc suffisante. La nécéssité de la condition est évidente par suite de la définition 4. Pour les ensembles , DnD_{n} le théorème a été donné par t. popoviciu [12].

I’importance de la notion, donnée dans ce travail, de la nn-valence par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b] résulte justement du théorème 13. Dans son travail, L. TORNHEIM [14] appele convexe par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b], une fonction continue sur l’intervalle fermé [a,b][a,b] et nn-valente par rapport à l’ensemble interpolatoire considéré*). Notre définition 5 est plus générale.

§ 3.

Fonctions d’ordre n par rapport à un ensemble du type In​[a,b]I_{n}[a,b], qui contient une chaine d’interpolation d’ordre (1,2,…,n−1)(1,2,\ldots,n-1).

  1. 1.
    • —

      Définition 7. Si ℱn\mathscr{F}_{n} est un ensemble du type In​[a,b],n≧2I_{n}[a,b],n\geqq 2 nous dirons qu’il contient une chaine d’interpolation d’ordre ( 1,2,…,n−11,2,\ldots,n-1 ), s’ils existent n−1n-1 sous-ensembles ℱ1⊂ℱ2⊂…⊂ℱn−1\mathscr{F}_{1}\subset\mathscr{F}_{2}\subset\ldots\subset\mathscr{F}_{n-1} de ℱn\mathscr{F}_{n} tels que ℱk\mathcal{F}_{k} soit du type Ik​[a,b],k=1,2,…,n−1I_{k}[a,b],k=1,2,\ldots,n-1. Pour préciser nous dirons que les sous-ensembles fk,k−1,2​…,n−1f_{k},k-1,2\ldots,n-1 forment une chaine d’interpolation d’ordre (1,2,…,n−1)(1,2,\ldots,n-1) sur [a,b][a,b].

Définition 8. - Le point ξ∈(a,b)\xi\in(a,b) s’appele point d’ordre kk, de la fonction f​(x)f(x) définie sur l’intervalle [a,b][a,b], par rapport à l’ensemble Fk​d​uF_{k}du type In​[a,b]I_{n}[a,b], si dans chacun de ses voisinages ils existent k+1k+1 points distincts x1,x2,…,xk,xk+1x_{1},x_{2},\ldots,x_{k},x_{k+1}, tels que l’on ait D​[x1,x2,…,xk,xk+1;f]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{k},x_{k+1};f\right]=0.

00footnotetext: *) L. TORNHEIM [14], utilise d’autres dénominations.

Lemme 6. - Soit f​(x)f(x) une fonction ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe sur [a,b][a,b] et soit D​[x1,x2,…,xn;f]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\right]=0, où x1<x2<…<xn<bx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<b. Si xk<x0<xk+1x_{k}<x_{0}<x_{k+1}, 3≦k≦n−1,n≧43\leqq k\leqq n-1,n\geqq 4, alors pour x>xnx>x_{n} nous avons

f​(x)−L​(x2,x3,…,xk−1,x0,xk+1,…,xn;f∣x)>0. Si ​x2<x0<x2\displaystyle f(x)-L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k-1},x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)>0.\text{ Si }x_{2}<x_{0}<x_{2}
.

Une propriété analogue a lieu pour la fonction f​(x),ℱnf(x),\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b][a,b], en changeant respectivement le sens des inégalités.

La démonstration est immédiate. Si x2<x0<x3x_{2}<x_{0}<x_{3} les fonctions

L​(x2,x3,…,xn;f∣x),L​(x0,x3,…,xn;f∣x)L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{n};f\mid x\right),\quad L\left(x_{0},x_{3},\ldots,x_{n};f\mid x\right) (45)

coincident sur n−2n-2 points, donc leur différence change de signe en passant par ces points. Si l’on avait f​(x)−L​(x0,x3,…,xn;f∣x)<0f(x)-L\left(x_{0},x_{3},\ldots,x_{\mathrm{n}};f\mid x\right)<0 pour x>xnx>x_{n}, la différence des fonctions (45) devrait s’annuler deux fois dans ( x2,x3x_{2},x_{3} ) (autrement les fonctions (45) coincideraient en n−1n-1 points, ce qui est impossible) et on tomberait sur une contradiction avec la ℱn\mathscr{F}_{n}-convexité de la fonction f​(x)f(x). Pour la même raison on ne pent pas avoir f(x)−−L(x0,x3,…,xn;f∣x)=0f(x)--L\left(x_{0},x_{3},\ldots,x_{n};f\mid x\right)=0 sur un point x>xnx>x_{n}.

Si 3≦k≦n−13\leqq k\leqq n-1 les fonctions L​(x2,x3,…,xn;f∣x)L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{n};f\mid x\right) et L​(x2,x3,…,xk−1,x0,xk+1,…,xn;f∣x)L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k-1},x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right) coincident sur n−2n-2 points. Comme plus haut on voit que nous ne pouvons pas avoir f(x)−−L(x2,x3,…,xk−1.x0,xk+1,…,xn;f∣x)≦0f(x)--L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k-1}.x_{0},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)\leqq 0 pour un x>xnx>x_{n}.

Lemme 7. - Si f​(x)f(x) est une fonction ℱn\mathcal{F}_{n}-convexe (ou ℱn\mathcal{F}_{n}-concave) sur [a,b],n≧2[a,b],n\geqq 2 et si ξ\xi est un point d’ordre n−1n-1 de cette fonction par rappor à l’ensemble Fn−1F_{n-1}, ils , existent n−1n-1 points x1′<x2′<…<xn−1′x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n-1}^{\prime}, où ξ≦x1\xi\leqq x_{1} tels que pour x0>xn−1′x_{0}>x_{n-1}^{\prime} on ait D​[x1′​x2′,…,xn−1′,x0;t]>0​(ou<0)D\left[x_{1}^{\prime}x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n-1}^{\prime},x_{0};t\right]>0(\mathrm{ou}<0). Sous les mêmes hypothèses, ils existent n−1n-1 points x1′′<x2′′<…<xn−1′′x_{1}^{\prime\prime}<x_{2}^{\prime\prime}<\ldots<x_{n-1}^{\prime\prime}, où xn−1′′<ξx_{n-1}^{\prime\prime}<\xi tels que D​[x1′′,x2′′,…,xn−1′′,ξ;f]>0(ou<0)D\left[x_{1}^{\prime\prime},x_{2}^{\prime\prime},\ldots,x_{n-1}^{\prime\prime},\xi;f\right]>0\quad(\mathrm{ou}<0).

Pour démontrer le lemme 7 nous nous basons sur le lemme 6. Nous pouvons toujours faire l’hypothèse que les points xix_{i} du voisinage de ξ\xi sur lesquels D​[x1,x2,…,xn;f]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\right]=0, vérifient les inégalités x1<x2<…<xn<bx_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n}<b. Supposons xk<ξ<xk+1​,2≦k≦n−1x_{k}<\xi<x_{k+1},2\leqq k\leqq n-1 (si k=1k=1 nous n’avons rien à étudier). Nous construisons, en vertu du lemme 6, la fonction L​(x2,x3,…,xk−1,ξ,xk+1,…,xn;f∣x)L\left(x_{2},x_{3},\ldots,x_{k-1},\xi,x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right) et les points ξ,xk+1,…,xn\xi,x_{k+1},\ldots,x_{n} seront n−k+1n-k+1 des points xi′x_{i}^{\prime}. Nous construisons successivement les fonctions

L​(x3,x4,…,xk−1,ξ,x2′,xk+1,…,xn;f∣x),…\displaystyle L\left(x_{3},x_{4},\ldots,x_{k-1},\xi,x_{2}^{\prime},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right),\ldots
L​(xk−1,ξ,x2,x3′,…,xk−2′,xk+1,…,xn;f∣x)\displaystyle L\left(x_{k-1},\xi,x_{2},x_{3}^{\prime},\ldots,x_{k-2}^{\prime},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)
L​(ξ,x2′,x3′,…,xk−1′,xk+1,…,xn;f∣x)\displaystyle L\left(\xi,x_{2}^{\prime},x_{3}^{\prime},\ldots,x_{k-1}^{\prime},x_{k+1},\ldots,x_{n};f\mid x\right)

(les points x2′,x3′,…,xk−1′x_{2}^{\prime},x_{3}^{\prime},\ldots,x_{k-1}^{\prime} étant choisis arbitrairement dans (ξ,xk+1)\left(\xi,x_{k+1}\right) ).
Les points x1=ξ,x2,x3,…,xk+1,xk′,=xk+1,…,xn−1′=xnx_{1}=\xi,x_{2},x_{3},\ldots,x_{k+1},x_{k}^{\prime},=x_{k+1},\ldots,x_{n-1}^{\prime}=x_{n}, vérfient la première partie de la conclusion du lemme 7.

On peut enoncer un lemme analogue au lemme 6, en failint of le point x1x_{1} au lieu de point xnx_{n} et xkx_{k} au lieu de xk+1x_{k+1}. Le role du point x>xkx>x_{k}
sera joué par tout point de l’intervalle ( xk+1,xkx_{k+1},x_{k} ). Nous n’insistons donc pas sur la seconde partie de la conclusion du lemme 7.
2. - théoreme 14. - Si f​(x)f(x) est une fonction ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n} concave sur l’intervalle [a,b],n≧2[a,b],n\geqq 2, elle a au plus un point d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} sur (a,b)(a,b).

En vertu du lemme 7 , si ξ1<ξ2\xi_{1}<\xi_{2} était deux points d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, de la fonction f​(x)f(x), il existerait deux systèmes chacun formé par nn points x1′<x2′<…<xn′;x1′′<x2′′<…<xn′′x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n}^{\prime};x_{1}^{\prime\prime}<x_{2}^{\prime\prime}<\ldots<x_{n}^{\prime\prime}, de manière que x1′≦ξ1,xn′′≦ξ2x_{1}^{\prime}\leqq\xi_{1},x_{n}^{\prime\prime}\leqq\xi_{2} et que D​[x1′,x2′,…,xn′;f],D​[x1′′,x2′′,…,xn′′;f]D\left[x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime};f\right],D\left[x_{1}^{\prime\prime},x_{2}^{\prime\prime},\ldots,x_{n}^{\prime\prime};f\right] soient (non nuls et) de signes contraires. En appliquant le théorème 5 à l’ensemble ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, on voit qu’ils existent nn points distincts x1,x2,…​xnx_{1},x_{2},\ldots x_{n} appartenant à (ζ1,ζ2)\left(\zeta_{1},\zeta_{2}\right) tels que D​[x1,x2,…,xn;f]=0D\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};f\right]=0.

Soit Mn−1M_{n-1} l’ensemble de tous les points d’ordre n−1n-1, par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} de la fonction f​(x)f(x). Soient ξ′=infMn−1,ξ′′=supMn−1\xi^{\prime}=\inf M_{n-1},\xi^{\prime\prime}=\sup M_{n-1} et supposons ξ′<ζ′′\xi^{\prime}<\zeta^{\prime\prime}. L’ensemble Mn−1M_{n-1} est partout dense dans l’intervalle [ξ′,ξ′′]∗\left[\xi^{\prime},\xi^{\prime\prime}\right]^{*} ), donc f​(x)f(x) coincide avec un élément de ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} sur cet intervalle, ce qui est en contradiction avec le fait que f​(x)f(x) est nn-valente par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} sur [a,b].Mn−1[a,b].M_{n-1} ne peut donc contenir qu’au plus un point.

Du théorème 14 on peut déduire quelques conséquences intéressantes Si f​(x)f(x) n’a aucun point d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, elle est (n−1)(n-1) valente par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, donc elle est ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-convexe ou ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-concave. En vertu du théorème 14, dans ce cas f​(x)f(x) ne peut avoir plus de u​nun point d’ordre n−2n-2 par rapport à fn−2f_{n-2}.

Si f​(x)f(x) a effectivement un point ξ\xi d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} ce point divise l’intervalle [a,b][a,b] dans les sous-intervalles [a,ξ],[ξ,b][a,\xi],[\xi,b], sur chacun la fonction étant ( n−1n-1 )-valente par rapport à ℱn−1​Si​f​(x)\mathscr{F}_{n-1}\mathrm{Si}f(x) est ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-convexe resp. ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-concave sur l’intervalle [a,ξ][a,\xi], il est ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} concave resp. ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-convexe sur l’intervalle [ξ,b][\xi,b].

Définition 9. - Sous les hypothèses du théorème 14, le point ξ\xi d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, de la fonction f​(x)f(x), est dit de la première classe si à sa gauche la fonction est 𝔣n−1\mathfrak{f}_{n-1}-concave et est dit de la seconde classe dans le cas contraire.**).

De la démonstration du théorème 7 il résulte que le point ξ\xi, qui figure dans l’énoncé, sépare les points ξ1<ξ2<…<ξn+1\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n+1}.

Soit f​(x)f(x) une fonction nn-valente par rapport à ℱn\mathscr{F}_{n} et ξ\xi un point d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} de cette fonction. Nous avons alors le
théoreme 15. - Si n≧2n\geqq 2 ils existent, dans tout voisinage de ξ\xi, nn points ξ1<ξ2<…<ξn\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n}, tels que ξn−1<ξ<ξn\xi_{n-1}<\xi<\xi_{n} et D​[ξ1,ξ2,…,ξn;f]=0D\left[\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n};f\right]=0. De même, ils existent n points ξ1′′<ξ2′′<…<ξn′\xi_{1}^{\prime\prime}<\xi_{2}^{\prime\prime}<\ldots<\xi_{n}^{\prime}, tels que ξ1′<ξ<ξ2′\xi_{1}^{\prime}<\xi<\xi_{2}^{\prime} et D​[ξ1′,ξ2′,…,ξ′;f]=0D\left[\xi_{1}^{\prime},\xi_{2}^{\prime},\ldots,\xi^{\prime};f\right]=0.

Pour démontrer le théorème 15 il suffit de considérer le cas n=3n=3. Supposons que f​(x)f(x) soit ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe sur [a,b][a,b]. Soit ξ1<ξ<ξ2<ξ3\xi_{1}<\xi<\xi_{2}<\xi_{3}

00footnotetext: *). Mn−1M_{n-1} se réduit, en effet, à l’intervalle [ ξ′,ξ′′\xi^{\prime},\xi^{\prime\prime} ].
à fn−kf_{n-k}.

et D​[ξ1,ξ2,ξ3;f]=0D\!\left[\xi_{1},\xi_{2},\xi_{3};f\right]=0. Nous avons

L​(ξ2,ξ3;f∣x)<f​(x)pour ​x>ξ3,L\!\left(\xi_{2},\xi_{3};f\mid x\right)<f(x)\quad\text{pour }x>\xi_{3},

et

L​(ξ1,ξ2;f∣x)>f​(x)pour ​ξ2<x<ξ3.L\!\left(\xi_{1},\xi_{2};f\mid x\right)>f(x)\quad\text{pour }\xi_{2}<x<\xi_{3}.

Parmi les éléments de la forme L​(x0,ξ3;f∣x)L\!\left(x_{0},\xi_{3};f\mid x\right), où ξ1<x0<ξ\xi_{1}<x_{0}<\xi, appartenant à ℱ2\mathscr{F}_{2}, il en existe un qui coïncide avec f​(x)f(x) en un point ξ′\xi^{\prime} compris entre x0x_{0} et ξ\xi. En effet, si une telle fonction n’existait pas, alors, pour x0=ξx_{0}=\xi, la différence

f​(x)−L​(x0,ξ3;f∣x)f(x)-L\!\left(x_{0},\xi_{3};f\mid x\right)

serait nulle en un point compris entre ξ\xi et ξ2\xi_{2}, ou bien s’annulerait en x0x_{0} sans changer de signe. Dans tous les cas, f​(x)f(x) devrait posséder un point d’ordre n−1n-1, relativement à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}, distinct de ξ\xi, ce qui, en vertu du théorème 14, est impossible.

Nous avons donc

ξ1<ξ2′<ξ<ξ3etD​[ξ1,ξ2′,ξ3;f]=0.\xi_{1}<\xi_{2}^{\prime}<\xi<\xi_{3}\quad\text{et}\quad D\!\left[\xi_{1},\xi_{2}^{\prime},\xi_{3};f\right]=0.

Si n<3n<3 et

ξ1<ξ2<…<ξk<ξ<ξk+1<…<ξn,2≤k≤n−2,\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{k}<\xi<\xi_{k+1}<\ldots<\xi_{n},\qquad 2\leq k\leq n-2,

nous procédons de la même manière avec les éléments de ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} qui coïncident avec f​(x)f(x) aux points

ξ1,ξ2,…,ξk−1,ξk+2,…,ξn.\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{k-1},\xi_{k+2},\ldots,\xi_{n}.

Dans le cas k=1k=1, on supprime le point ξ1\xi_{1}. Cet ensemble est alors du type I2​[ξk−1,ξk+2]I_{2}\!\left[\xi_{k-1},\xi_{k+2}\right].

Nous pouvons donc trouver un point ξk+1′\xi_{k+1}^{\prime} tel que

ξ1<ξ2<…<ξk<ξk+1′<ξ<ξk+2<…<ξn,\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{k}<\xi_{k+1}^{\prime}<\xi<\xi_{k+2}<\ldots<\xi_{n},

et

D​[ξ1,ξ2,…,ξk,ξk+1′,ξk+2,…,ξn;f]=0.D\!\left[\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{k},\xi_{k+1}^{\prime},\xi_{k+2},\ldots,\xi_{n};f\right]=0.

En répétant cette construction, on obtient la première partie de la conclusion du théorème. La seconde partie de la conclusion se démontre de manière analogue. théoreme 16. - Si f​(x)f(x) est une fonction ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b],n≧2[a,b],n\geqq 2, l’intervalle [a,b][a,b] peut être décomposé en au plus k+1k+1 sous-intervalles consécutifs sur lesquel f​(x)f(x) soit alternativement convexe et concave par rapport à ℱn−k\mathscr{F}_{n-k} (on suppose 1≦k≦n−1)∗\left.1\leqq k\leqq n-1\right)^{*} ).

Pour la démonstration soit d’abord le cas k=1k=1 et supposons que f​(x)f(x) soit ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe sur [a,b][a,b]. Il faut distinguer deux cas : ou bien il existe dans ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} un élément qui coincide avec f​(x)f(x) sur nn points de [a,b][a,b], ou bien une telle fonction n’existe pas dans ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}. Dans le second cas f​(x)f(x) est (n−1)(n-1)-valente par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} sur [a,b][a,b]. Dans le premier cas f​(x)f(x) a un point ξ(n−1)\xi^{(n-1)} d’ordre n−1n-1 par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}. Le point ξ(n−1)\xi^{(n-1)} divise l’intervalle [a,b][a,b] en deux sous-intervalles consécutifs [a,ξ(n−1)]\left[a,\xi^{(n-1)}\right] et [ξ(n−1),b]\left[\xi^{(n-1)},b\right] sur chacun f​(x)f(x) étant ( n−1n-1 )-valente par rapport à 𝒻n−1\mathscr{f}_{n-1}. Il en résulte, compte tenant du lemme 6 , que f​(x)f(x) est ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-concave sur le premier et ℱn−1\mathscr{F}_{n-1}-convexe sur le second de ces sous-intervalles. On procède de la même manière si f​(x)f(x) est ℱn\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b][a,b].

Pour k=1k=1 la propriété exprimée par le théorème 16 a donc lieu par suite de l’unicité de la décomposition qui résulte de la définition du point ξ(n−1)\xi^{(n-1)}.

Sous 1’hypothèse de l’existence du point ξ(n−1)\xi^{(n-1)}, désignons par f1(n−1)​(x)f_{1}^{(n-1)}(x) et par⁡f2(n−1)​(x)\operatorname{par}f_{2}^{(n-1)}(x) les restrictions de f​(x)f(x) respectivement sur les intervalles [a,ξn−1)],[ξ(n−1),b]\left[a,\xi^{n-1)}\right],\left[\xi^{(n-1)},b\right]. La fonction f1(n−1)​(x)f_{1}^{(n-1)}(x) peut avoir au plus un point d’ordre n−2n-2 par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2} et la même remarque est aussi valable pour la fonction f2(n−1)​(x)f_{2}^{(n-1)}(x). Il en résulte que f​(x)f(x) a au plus deux points ξ1(n−2)<ξ2(n−2)\xi_{1}^{(n-2)}<\xi_{2}^{(n-2)} d’ordre n−2n-2, par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2} sur [a,b][a,b]. En effet, si le point ξ(n−1)\xi^{(n-1)} était

00footnotetext: *). Les sousintervalles [α1,β1],[α2,β2],…,[αk,βk]\left[\alpha_{1},\beta_{1}\right],\left[\alpha_{2},\beta_{2}\right],\ldots,\left[\alpha_{k},\beta_{k}\right] de [a,b][a,b] sont consecutifs si a≦α1,β1=α2,…,βk−1=αk,βk≦ba\leqq\alpha_{1},\beta_{1}=\alpha_{2},\ldots,\beta_{k-1}=\alpha_{k},\beta_{k}\leqq b.

en même temps un point d’ordre n−2n-2 par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2}, alors l’un des points d’ordre n−2n-2, par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2}, situé dans (a,ξ(n−1))\left(a,\xi^{(n-1)}\right) et (ξ(n−1),b)\left(\xi^{(n-1)},b\right) devrait manquer. Dans le cas contraire ils seraient de classes différentes et ξ(n−1)\xi^{(n-1)} serait de la même classe avec l’un d’entre eux, ce qui est impossible, puisqu’alors il existerait un intervalle sur lequel f​(x)f(x) coinciderait avec un élément de ℱn\mathscr{F}_{n}.

Soient donc ξ1(n−2)<ξ2(n−2)\xi_{1}^{(n-2)}<\xi_{2}^{(n-2)} les points d’ordre n−2n-2 par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2} de la fonction f​(x)f(x). La propriété exprimée par le théorème 16 subsiste pour k=2k=2 sur les intervalles [a,ξ1(n−2)],[ξ1(n−2),ξ2(n−2)],[ξ2(n−2),b]\left[a,\xi_{1}^{(n-2)}\right],\left[\xi_{1}^{(n-2)},\xi_{2}^{(n-2)}\right],\left[\xi_{2}^{(n-2)},b\right]. Si ξ(n−1)\xi^{(n-1)} n’existe pas, f​(x)f(x) étant 𝒻n−1\mathscr{f}_{n-1}-convexe ou 𝒻n−1\mathscr{f}_{n-1}-concave, il n’y a sur [a,b][a,b] qu’au plus un point d’ordre n−2n-2, par rapport à ℱn−2\mathscr{F}_{n-2}.

Pour k>2k>2, on voit facilement, que le nombre des points d’ordre n−kn-k par rapport à 𝒻n−k\mathscr{f}_{n-k} est fini. Supposons ce nombre m⩾k+1m\geqslant k+1. Remarquons qu’entre deux points consécutifs ξi(n−k)<ξi+1(n−k)\xi_{i}^{(n-k)}<\xi_{i+1}^{(n-k)} d’ordre n−kn-k par rapport à ℱn−k\mathscr{F}_{n-k}, il existe u​nun point d’ordre n−k+1n-k+1 par rapport à ℱn−k+1\mathscr{F}_{n-k+1}. Dans le cas contraire, en effet, les points ξi(n−k),ξi+1(n−k)\xi_{i}^{(n-k)},\xi_{i+1}^{(n-k)} appartiendraient à un intervalle sur lequel f​(x)f(x) serait convexe ou concave par rapport à ℱn−k+1\mathscr{F}_{n-k+1}, donc ne pourrait avoir sur cet intervalle deux points d’ordre n−kn-k. L’hypothèse m≧k+1m\geqq k+1 nous conduit à l’existence d’au moins deux points d’ordre n−1n-1 par rapport à fn−1f_{n-1} de la fonction f​(x)f(x), ce qui est impossible. Le théorème 16 est donc vrai, puisque sur les sous-intervalles déterminés par les points de divers ordres, l’alternance de la convexité avec la concavité est également assurée.

Cette propriété peut aussi s’énoncer sous la forme suivante :
THEOREME 17. - Une Jonction ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b][a,b] a au plus kk points d’ordre n−kn-k par rapport à ℱn−k,k=1,2,…,n−1\mathcal{F}_{n-k},k=1,2,\ldots,n-1. Les points d’un même ordre appartiennent alternativement à des classes dijférentes.

La première partie est claire. La seconde partie résulte toute de suite si nous remarquons qu’entre deux points du même ordre, qui appartiennent à la même classe, ils existe toujours encore au moins un point du même ordre.

S’ils existent exactement kk points d’ordre n−kn-k par rapport à ℱn−k\mathscr{F}_{n-k}, sous les hypothèses précédentes, nous avons aussi le
théorème 18. - Les points d’ordre n−kn-k par rapport à ℱn−k\mathscr{F}_{n-k} et ceux d’ordre n−k+1n-k+1 par rapport à 𝒻n−k+1\mathscr{f}_{n-k+1} se séparent ( 2≦k≦n−12\leqq k\leqq n-1 )
3. - En particularisant l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n} nous déduisons des théorèmes précédents, quelques conclusions.

Une fonction convexe ou concave par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, a au plus n−1n-1 points d’ordre 1, par rapport à l’ensemble ℱ1\mathscr{F}_{1}. Ces sont les points où f​(x)f(x) a des maxima et des minima relatifs.

Les théorèmes 15,16 peuvent être étendus aux fonctions non-concaves ou non-convexes par rapport à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}. Dans ce cas la décomposition de l’intervalle [a,b][a,b], telle qu’on l’exige dans les énoncés, peut ne pas être unique.
4. - Pour terminer ce §, nous allons donner un théorène qui est relatif à une propriété intéressante des éléments de ℱn\mathscr{F}_{n}, sous l’hypothèse
de l’xistence d’une chaine d’interpolation ℱ1⊂ℱ2⊂…⊂ℱn−1\mathscr{F}_{1}\subset\mathscr{F}_{2}\subset\ldots\subset\mathscr{F}_{n-1} d’ordre (1,2,…,n−1)(1,2,\ldots,n-1).

Conformément à la définition de l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, la différence de deux éléments distincts de ℱn\mathscr{F}_{n} s’annule en au plus n−1n-1 points de [a,b][a,b]. Il en résulte que toute fonction φ​(x)∈ℱn\varphi(x)\in\mathscr{F}_{n} qui n’appartient pas à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} est ( n−1n-1 ). valente par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} donc ètant continue sur [a,b][a,b], par définition est convexe ou concave par rapport à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} sur l’intervalle [a,b][a,b]. En tout cas une telle fonction φ​(x)\varphi(x) a au plus n−2n-2 points d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1} sur ( a,ba,b ), conformément au théorème 17.

Lemme 8. - Si n≧3n\geqq 3, si φ​(x)∈ℱn\varphi(x)\in\mathscr{F}_{n}, n’appartient pas à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} et si g​(x)g(x) est un élément quelconque de ℱ1\mathscr{F}_{1}, tel que g​(x)−φ​(x)g(x)-\varphi(x) s’annule sur les points x1<x2<…<xn−1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n-1} de [a,b][a,b], alors φ​(x)\varphi(x) a n−2n-2 points d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1}.

La démonstration de ce lemme résulte du théorème 7. Sur chacun des intervalles (xi,xi+1),i=1,2,…,n−2,φ​(x)\left(x_{i},x_{i+1}\right),i=1,2,\ldots,n-2,\varphi(x) a un point d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1}.

Lemme 9. — Sous les hypothèses du Lemme 8, si l’on désigne par ξi\xi_{i} le point d’ordre 11 par rapport à ℱ1\mathcal{F}_{1} situé dans l’intervalle (xi,xi+1)(x_{i},x_{i+1}), pour i=1,2,…,n−2i=1,2,\ldots,n-2, alors les différences

φ​(x)−L​(ξi;φ∣x)\varphi(x)-L\!\left(\xi_{i};\varphi\mid x\right)

s’annulent respectivement aux points ξi\xi_{i}, sans changer de signe.

La démonstration résulte du fait que la différence L(ξi;φ(x)−g(x)L\left(\xi_{i};\varphi(x)-g(x)\right., i=1,2,…,n−2i=1,2,\ldots,n-2 ne peut pas s’annuler sur [a,b][a,b].

Le m m e 10. - Si les éléments de ℱn\mathscr{F}_{n} sont dérivables, sous les hypothèses du lemme 9, nous avons

[d​L​(ξi;φ∣x)d​x]x=ξi=[d​g​(x)d​x]x=ξi,i=1,2,…,n−2\left[\frac{dL\left(\xi_{i};\varphi\mid x\right)}{dx}\right]_{x=\xi_{i}}=\left[\frac{dg(x)}{dx}\right]_{x=\xi_{i}},i=1,2,\ldots,n-2

La démonstration résulte du lemme 9 .
5. - Définition 10. - Soit g​(x)∈ℱng(x)\in\mathscr{F}_{n} et x1<x2<…<xn−1,n−1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n-1},n-1 points de (a,b)(a,b). Les éléments de ℱn\mathscr{F}_{n}, qui sur les points xi,i=1,2,…,n−1x_{i},i=1,2,\ldots,n-1, coincident avec g​(x)g(x) forment un ensemble que nous appelerons un épi d’ordre n−1n-1 et nous le désignerons par S​(x1,x2,…,xn−1;g​(x))∗\mathrm{S}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};g(x)\right)^{*} )

Il est clair que tout épi d’ordre n−1,n>1n-1,n>1, contient une infinité de fonctions. Tout élément, distinct de g​(x)g(x), de l’épi S​(x1,x2,…,xn−1;g​(x))S\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};g(x)\right) a, dans chacun des intervalles ( xi,xi+1x_{i},x_{i+1} ), un point d’ordre 1 par rapport à F1F_{1}

Définition 11. - L’épi S​(x1,x2,…,xn−1;g​(x))S\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};g(x)\right) est dit normal si tous ses éléments, différents de g​(x)g(x), ont les même points d’ordre 1 par rapport aaℱ1\stackrel{{\scriptstyle a}}\mathscr{F}_{1}.

Dans ce qui suit nous supposerons que les éléments de ℱn\mathscr{F}_{n} soient dérivables sur (a,b)(a,b). Soit g​(x)∈ℱ1g(x)\in\mathscr{F}_{1} et φ1​(x),φ2​(x)\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x) deux éléments distincts de ℱn\mathscr{F}_{n}, qui n’appartiennent pas à ℱn−1\mathscr{F}_{n-1} et ont le même caractère de convexité par rapport à fn−1f_{n-1} sur [a,b][a,b]. Nous avons alors le

THÉOREME 19. - Supposons que φ1​(x)−g​(x)\varphi_{1}(x)-g(x) s’annulle sur les points x1<x2<…<xn−1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n-1} et que φ2​(x)−g​(x)\varphi_{2}(x)-g(x) s’annulle sur les points

00footnotetext: *). Il est inutile de souliguer que la définition est relative à l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, car cet ellsemble reste inchangé.

x1′<x2′<…<xn−1′x_{1}^{\prime}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n-1}^{\prime}. De plus les points xix_{i} séparent les points xi′∗x_{i}^{\prime}{}^{*} ). Si les épis S​(x1,x2,…,xn−1;g​(x)),S​(x1′,x2′,…,x−1′;g​(x))S\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};g(x)\right),S\left(x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{-1}^{\prime};g(x)\right) sont normaux, les n−2n-2 points ξ1<ξ2<…<ξn−2\xi_{1}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n-2} d’ordre 1 par rapport à 𝒢1\mathcal{G}_{1} de φ1​(x)\varphi_{1}(x) séparent les n−2n-2 points ξ1′<ξ2′<…<ξn−2′\xi_{1}^{\prime}<\xi_{2}^{\prime}<\ldots<\xi_{n-2}^{\prime} d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1} de la fonction φ2​(x)\varphi_{2}(x).

Un cas particulier de ce théorème est constitué par le théorème bien connu de v. a. MARKOFF [2] relativement à la séparation mutuelles des extrema de deux polynomes de même degré.

La démonstration du théorème est basée sur les lemmes 8,9,108,9,10. Supposons que

x1<x1′<x2<x2′<…<xn−1<xn−1′x_{1}<x_{1}^{\prime}<x_{2}<x_{2}^{\prime}<\ldots<x_{n-1}<x_{n-1}^{\prime} (46)

Démontrons qu’entre deux termes consécutifs de la suite

ξ1,ξ2,…,ξn−2\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n-2} (47)

il existe toujours un point et un seul de la suite

ξ1′,ξ2′,…,ξn−2′\xi_{1}^{\prime},\xi_{2}^{\prime},\ldots,\xi_{n-2}^{\prime}

En effet, la différence, φ1​(x)−φ2​(x)\varphi_{1}(x)-\varphi_{2}(x) s’annule sur chacun des intervalles (xi,xi+1),i=1,2,…,n−2\left(x_{i},x_{i+1}\right),i=1,2,\ldots,n-2. Soit xi′′x_{i}^{\prime\prime}. le point de (xi,xi+1)\left(x_{i},x_{i+1}\right) sur lequel cette différence devient nulle et, pour fixer les idées, soit ii un indice pour lequel φ1​(xi′′)=φ2​(xi′′)>g​(xi′′)\varphi_{1}\left(x_{i}^{\prime\prime}\right)=\varphi_{2}\left(x_{i}^{\prime\prime}\right)>g\left(x_{i}^{\prime\prime}\right). Demontrons que ξi′>ξi\xi_{i}^{\prime}>\xi_{i}. Nous allons démontrer d’abord que nous ne pouvons pas avoir ξi′<ξi\xi_{i}^{\prime}<\xi_{i}. Supposons que ξi′<ξi\xi_{i}^{\prime}<\xi_{i}. On peut d’abord remarque que nous ne pouvons pas avoir ζi′<xi′′<ξ\zeta_{i}^{\prime}<x_{i}^{\prime\prime}<\xi puisque dans le cas contraire on aurait φ2​(ξi′)<φ1​(ξi′),φ1​(ξi)<<φ2​(ξi)\varphi_{2}\left(\xi_{i}^{\prime}\right)<\varphi_{1}\left(\xi_{i}^{\prime}\right),\varphi_{1}\left(\xi_{i}\right)<<\varphi_{2}\left(\xi_{i}\right), d’où il résulterait que la différence φ1​(x)−L​(ξi;φ2∣x)\varphi_{1}(x)-L\left(\xi_{i};\varphi_{2}\mid x\right) s’annule sur deux points de l’intervalle ( xi,xi′′x_{i},x_{i}^{\prime\prime} ), donc φ1​(x)\varphi_{1}(x) aurait dans l’intervalle (x1,x2)\left(x_{1},x_{2}\right) deux points d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1}, ce qui est en contradiction avec le lemme 8 . Nous ne pouvons donc pas avoir ξi′<xi′′<ξi\xi_{i}^{\prime}<x_{i}^{\prime\prime}<\xi_{i}.

Supposons ξi′<ξi<xi′′\xi_{i}^{\prime}<\xi_{i}<x_{i}^{\prime\prime}. L’épi S​(x1′,x2′,…,xn−1′;g​(x))S\left(x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n-1}^{\prime};g(x)\right) contient une fonction qui sur le point ξi\xi_{i} prend la valeur φ1​(ξi)\varphi_{1}\left(\xi_{i}\right). Le point ξi′\xi_{i}^{\prime} est point d’ordre 1 par rapport à ℱ1\mathscr{F}_{1} de cette fonction. On voit que de l’hypothèse ξi′<ξi\xi_{i}^{\prime}<\xi_{i} il résulterait pour φ1​(x)\varphi_{1}(x) un point d’ordre 1 par rapport à G1G_{1}, situe à gauche de ξ1\xi_{1} ce qui est impossible. Nous avons donc ξi≦ξi′\xi_{i}\leqq\xi_{i}^{\prime}. En utilisant la dérivabilité des fonctions de ℱn\mathscr{F}_{n}, le cas ξi=ξi′\xi_{i}=\xi_{i}^{\prime} est exclu puisque cette égalité entrenerait 1’existence d’un élément de l’épi S(x1′,x2′,…,xn′;g(x)S\left(x_{1}^{\prime},x_{2}^{\prime},\ldots,x_{n}^{\prime};g(x)\right. ) dont la différence avec φ1​(x)\varphi_{1}(x) s’annulerait, sans changer de signe sur ξi′\xi_{i}^{\prime}. Nous sommes ainsi en contradiction avec le lemme 9. Nous avons donc démontré que ξi<ξi′\xi_{i}<\xi_{i}^{\prime}. D’une manière analogue on démontre que ξi′<ξi+1\xi_{i}^{\prime}<\xi_{i+1}. Nous avons donc finalement

ξ1<ξ1′<ξ2<…<ξn−2<ξn−2′\xi_{1}<\xi_{1}^{\prime}<\xi_{2}<\ldots<\xi_{n-2}<\xi_{n-2}^{\prime} (49)

ce qu’il fallait démonter.

00footnotetext: ∗). donc xi<xi′,i=1,2,…,n−1x_{i}<x_{i}^{\prime},i=1,2,\ldots,n-1 ou bien xi′<xi,i=1,2,…,n−1x_{i}^{\prime}<x_{i},i=1,2,\ldots,n-1.

Le théorème 19 a étè démontré, par diverses méthodes, dans le cas particulier où ℱn\mathscr{F}_{n} se réduit à 𝒟n\mathcal{D}_{n}. Ce théorème joue un rôle important dans l’étude des problèmes de meilleure approximation. La définition 11 nous conduit à une classification des ensembles interpolatoirs sur laquelle nous n’insistons pas ici.
6. - Dans ce§ a intervenu le fait essentiel que l’ensemble ℱn\mathcal{F}_{n} contient une chaine d’interpolation d’ordre (1,2,…,n−1)(1,2,\ldots,n-1). Un exemple classique dans ce sens est l’ensemble ’ pnp_{n} qui contient la chaine d’interpolation pn​C⊂𝒟2⊂…⊂ℱn−1p_{n}C\subset\mathcal{D}_{2}\subset\ldots\subset\mathcal{F}_{n-1}. De la même propriété jouit tout système de nn fonctions continues φ1​(x),φ2​(x),…,φn​(x)\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x),\ldots,\varphi_{n}(x) sur l’intervalle [a,b][a,b], qui vérifie la condition que toute combinaison linéaire ∑i=1n+1αi​φi​(x)\sum_{i=1}^{n+1}\alpha_{i}\varphi_{i}(x) s’annule sur au plus k−1k-1 points de [a,b][a,b] et ceci pour k=1,2,…,nk=1,2,\ldots,n.

Soit l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n} formé par les fonctions F​(x;α1,α2,…,αn)F\left(x;\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{n}\right) définies sur [a,b][a,b] et dépendant de nn paramètres réels αi,i=1,2,…,n)∗\left.\alpha_{i},i=1,2,\ldots,n\right)^{*}.

Sous certaines hypothèses supplémentaires, il existe encore une chaine d’interpolation d’ordre (1,2,…,n−1)(1,2,\ldots,n-1). Ces hypothèses peuvent être déduites des propriétés dont jouissent alors les paramètre αi,i=1,2,…,n\alpha_{i},i=1,2,\ldots,n. Supposons que l’un de ces paramètres, soit αl\alpha_{l}, a la propriété que pour chacune de ses valeurs αl=α~l\alpha_{l}=\tilde{\alpha}_{l}, l’ensemble des fonctions F(x;α1,α2,…,αl−1,α~lF\left(x;\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{l-1},\tilde{\alpha}_{l}\right., αl+1,…,αn)\left.\alpha_{l+1},\ldots,\alpha_{n}\right) soit du type In−1​[a,b]I_{n-1}[a,b], ce qui signifie que pour tout système de n−1n-1 points distincts x1,x2,…,xn−1x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1} de [a,b][a,b] le système d’équations

F​(xi;α1,α2,…,αl−1,α~l,αl+1,…,αn)=yi,i=1,2,…,n−1F\left(x_{i};\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{l-1},\tilde{\alpha}_{l},\alpha_{l+1},\ldots,\alpha_{n}\right)=y_{i},i=1,2,\ldots,n-1

par rapport aux inconnues α1,α2,…,αl−1,αl+1,…,αn\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{l-1},\alpha_{l+1},\ldots,\alpha_{n} a une solution et une seule, quels que soient les nombres yi,i=1,2,…,n−1y_{i},i=1,2,\ldots,n-1

Nous avons alors le
Lemme 12. - Quel que soit le système de n−1n-1 points distincts x1x_{1}, x2,…,xn+1x_{2},\ldots,x_{n+1} et quels que soient les nombres y1,y2,…,yn−1y_{1},y_{2},\ldots,y_{n-1}, le paramèri αl\alpha_{l} est une fonction montone, par rapport aux valeurs sur un point x0≠xix_{0}\neq x_{i}, i=1,2,…,n−1i=1,2,\ldots,n-1 des élements de l’épi S​(x1,x2,…,xn−1;y)∗⁣∗∗\mathrm{S}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};y\right)^{***} ).

En effet, conformément à l’hypothèse faite sur αl\alpha_{l} dans tout épi S(x1S\left(x_{1}\right.. x2,…,xn−1;yx_{2},\ldots,x_{n-1};y ), il existe une seule fonction de ℱn\mathscr{F}_{n} avec αl=α~l\alpha_{l}=\tilde{\alpha}_{l}. Il en résulte que la valeur sur x0x_{0} des fonctions de l’épi S​(x1,x2,…,xn−1;y)S\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1};y\right) est une fonction continue y0=Φ​(αl)y_{0}=\Phi\left(\alpha_{l}\right) par rapport à αl\alpha_{l}. Son inverse αl=Φ−1​(y0)\alpha_{l}=\Phi^{-1}\left(y_{0}\right) est univalente, donc continue, donc une fonction monotone en y0y_{0}.

Nous avons aussi le reciproque du lemme 12,
Lemme 13. - Si la propriété de monotonie du lemme 12 a lieu, pour toute valeur α^l\hat{\alpha}_{l} du paramètre αl\alpha_{l} l’ensembue des fonctions F(x;α1,α2,…)αl−1,α~l,αl+1,…,αn)F\left(x;\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots\right)\left.\alpha_{l-1},\tilde{\alpha}_{l},\alpha_{l+1},\ldots,\alpha_{n}\right) est du type In−1​[a,b]I_{n-1}[a,b].

00footnotetext: *). Nous supposons toujcurs que F​(x;α1,α2,…,αn)F\left(x;\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{n}\right) est continue par rapport à l’ensemble de ses⁡n+1\operatorname{ses}n+1 variables.
**) Pour simplifier S(x1,x2,…,xn−1xiS\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n-1}\right.x_{i} et aux valeurs yi,i=1.2,…,n−1y_{i},i=1.2,\ldots,n-1,

Si A​[f]=0A[f]=0 nous sommes dans le cas du lemme 14. Supposons done que A​[f]=C≠0A[f]=C\neq 0 et considérons la fonction g​(x)=f​(x)−A​[f]A​[φ0]​φ0g(x)=f(x)-\frac{A[f]}{A\left[\varphi_{0}\right]}\varphi_{0}, où φ0\varphi_{0} est un élément de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1} qui n’appartient pas à ℱn\mathscr{F}_{n}. Nous avons done A​[φ0]≠0A\left[\varphi_{0}\right]\neq 0 et, on le verifie toute de suite, A​[g]=0A[g]=0. Il en résulte que g​(x)g(x) ne peut être ni ℱn\mathscr{F}_{n}-convexe ni ℱn\mathscr{F}_{n}-concave. g​(x)g(x) étant continue sur [a,b][a,b], nous pouvons appliquer le lemme 14 et nous avons A​[L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;g∣x)]=0A\left[L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};g\mid x\right)\right]=0 pour un certain système de points ξ1,ξ2,…,ξn+1\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1} de [a,b][a,b]. En tenant compte du fait que L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;φ0∣x)L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};\varphi_{0}\mid x\right) coincide avec φ0\varphi_{0} nous déduisons (50), en calculant A​[L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;g∣x)]A\left[L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};g\mid x\right)\right].

La conclusion du lemme 15 nous conduit à quelques remarques. Si fn+1f_{n+1}, 𝒻n\mathscr{f}_{n} sont linéaires, nous savons que dans 𝒻n+1\mathscr{f}_{n+1} ils existent n+1n+1 éléments f1​(x),f2​(x),…,fn+1​(x)f_{1}(x),f_{2}(x),\ldots,f_{n+1}(x), qui forment une base interpolatoire [5]. Toute fonction φ​(x)∈ℱn+1\varphi(x)\in\mathscr{F}_{n+1}, est de la forme φ​(x)=∑i=1n+1αi​ii​(x)\varphi(x)=\sum_{i=1}^{n+1}\alpha_{i}i_{i}(x). Si pour αn+1==0\alpha_{n+1}==0 nous obtenons l’ensemble ℱn\mathscr{F}_{n}, nous sommes dans le cas classique d’un système de Tschebycheff f1​(x),f2​(x),…,fn​(x),fn+1​(x)f_{1}(x),f_{2}(x),\ldots,f_{n}(x),f_{n+1}(x) où les nn premières fonctions forment également un système de Tschebycheff. Nous avons L​(x1,x2,…,xn,xn+1;f∣x)=∑i=1n+1di​[f]​fi​(x)\mathrm{L}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\mid x\right)=\sum_{i=1}^{n+1}d_{i}[f]f_{i}(x), où dn+1​[f]d_{n+1}[f] est la différence divisée généralisée de la fonction f​(x)f(x) par rapport au système de fonctions f1​(x),f2​(x),…,fn+1​(x)f_{1}(x),f_{2}(x),\ldots,f_{n+1}(x),
(51)

dn+1​[f]=|f1​(x1)f2​(x1)⋯⋯fn​(x1)f​(x1)f1​(x2)f2​(x2)⋯⋅⋅fn​(x2)f​(x2)⋯⋯⋅⋅⋱⋅⋅f1​(xn+1)f2​(xn+1)⋅⋅⋅⋅fn​(xn+1)|f​(xn+1)⋅||f1​(x1)f2​(x1)⋯⋅⋅fn​(x1)fn+1​(x1)f1​(x2)f2​(x2)⋯⋅⋅fn​(x2)fn+1​(x2)⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅f1​(xn+1)f2​(xn+1)⋯⋅fn​(xn+1)fn+1​(xn+1)|d_{n+1}[f]=\frac{\left.\left|\begin{array}[]{ccccccc}f_{1}\left(x_{1}\right)&f_{2}\left(x_{1}\right)&\cdots&\cdots&f_{n}\left(x_{1}\right)&f\left(x_{1}\right)\\ f_{1}\left(x_{2}\right)&f_{2}\left(x_{2}\right)&\cdots&\cdot&\cdot&f_{n}\left(x_{2}\right)&f\left(x_{2}\right)\\ \cdots&\cdots&\cdot&\cdot&\ddots&\cdot&\cdot\\ f_{1}\left(x_{n+1}\right)&f_{2}\left(x_{n+1}\right)&\cdot&\cdot&\cdot&\cdot&f_{n}\left(x_{n+1}\right)\end{array}\right|\begin{array}[]{c}f\left(x_{n+1}\right)\\ \cdot\end{array}\right\rvert\,}{\left|\begin{array}[]{ccccccc}f_{1}\left(x_{1}\right)&f_{2}\left(x_{1}\right)&\cdots&\cdot&\cdot&f_{n}\left(x_{1}\right)&f_{n+1}\left(x_{1}\right)\\ f_{1}\left(x_{2}\right)&f_{2}\left(x_{2}\right)&\cdots&\cdot&\cdot&f_{n}\left(x_{2}\right)&f_{n+1}\left(x_{2}\right)\\ \cdot&\cdot&\cdot&\cdot&\cdot&\cdot&\cdot\\ f_{1}\left(x_{n+1}\right)&f_{2}\left(x_{n+1}\right)&\cdots&\cdot&f_{n}\left(x_{n+1}\right)&f_{n+1}\left(x_{n+1}\right)\end{array}\right|}

Sous les hypothèses du lemme 15, la formule (50) devient
(52)

A​[L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;f∣x)]=dn+1​[f]​A​[fn+1]=A​[f]A\left[L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};f\mid x\right)\right]=d_{n+1}[f]\mathrm{A}\left[f_{n+1}\right]=A[f]

L’énoncé du Lemme 14 contient donc, comme cas particulier, le théorème de la moyenne pour les fonctionnelles linéaires, donné par T. Popoviciu [11]. 3. - Dans la suite nous utiliserons les propriétés d’un épi d’ordre" de l’ensemble fn+1f_{n+1}. Remarquons d’abord que tout épi d’ordre nn de l’ensemble ℱn+1\mathscr{F}_{n+1}, contient une fonction et une seule appartenant à ℱn\mathscr{F}_{n}. Corsidérons les points Mi​(xi,yi),i=1,2,…,nM_{i}\left(x_{i},y_{i}\right),i=1,2,\ldots,n où x1,x2,…,xnx_{1},x_{2},\ldots,x_{n} sont nn points
distincts de l’intervalle [a,b][a,b]. La fonction L​(x1,x2,…,xn;y∣x)\mathrm{L}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x\right) détermine dans l’épi considéré deux sous-ensemble non vides : celui des fonctions de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1}, qui sont ℱn\mathscr{F}_{n}-convexes et celui des fonctions de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1} qui sont ℱn\mathscr{F}_{n}-concaves.

Nous avons le
Lemme 16. - Si :
1∘​A​[f]1^{\circ}A[f] est continue sur son ensemble de définition *)
2∘​A​[f]=02^{\circ}A[f]=0, pour f∈ℱnf\in\mathscr{F}_{n}.
3∘​A​[f]≠03^{\circ}A[f]\neq 0 pour f​ℱnf\mathscr{F}_{n}-convexe ou ℱn\mathscr{F}_{n}-concave sur [a,b][a,b],
alors A​[f]A[f] garde un signe constant pour toutes les fonctions ℱn\mathscr{F}_{n} convexes ( fnf_{n}-concaves) appartenant à un épi d’ordre nn de l’ensemble fn+1f_{n+1}.

Considérons les points Mi​(xi,yi)M_{i}\left(x_{i},y_{i}\right) de plus haut. Nous avons A​[L​(x1,x2,…,xn;y∣x)]=0A\left[L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\mid x\right)\right]=0. Supposons que parmi les fonctions ℱn\mathscr{F}_{n}-convexes ( 𝒻n\mathscr{f}_{n}-concaves) appartenant à lépi correspondant à ces points, ils existent deux, g1​(x),g2​(x)g_{1}(x),g_{2}(x), telles que A​[g1]<0,A​[g2]>0A\left[g_{1}\right]<0,A\left[g_{2}\right]>0. Supposons que pour x>xnx>x_{n} on ait g1​(x)<g2​(x)\mathrm{g}_{1}(x)<g_{2}(x). Si xn=bx_{n}=b nous choisissons un point xx de l’intervalle (xn−1,xn)\left(x_{n-1},x_{n}\right) sur lequel nous supposons g2​(x)>g1​(x)g_{2}(x)>g_{1}(x). En vertu du théorème 1 , l’ensemble des éléments de l’épi, dont les valeurs sur xx sont comprises entre g1​(x)g_{1}(x) et g2​(x)g_{2}(x) est compact. Il en résulte que A​[f]A[f] doit s’annuler sur un élément de cet ensemble. C’est en contradiction avec 1’hypothèse 3∘3^{\circ} du lemme.

Supposons que ℱn+1\mathscr{F}_{n+1} soit l’ensemble engendré par le système de Tschebycheff φ1​(x),φ2​(x),…,φn+1​(x)\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x),\ldots,\varphi_{n+1}(x) et que ℱn\mathscr{F}_{n} et le sousensemble de fn+1f_{n+1} engendré par le fonctions φ1​(x),φ2​(x),…,φn​(x)\varphi_{1}(x),\varphi_{2}(x),\ldots,\varphi_{n}(x), qu’on suppose former aussi un système de Tschebycheff.

Lemme 17. - Sous les hypothèses du lemme 15, A​[f]A[f] est monotone par rapport à la valeur, sur un point fixe différent des points xi,i=1,2,…,nx_{i},i=1,2,\ldots,n, des fonctions de l’épi relatif à un système de points Mi(xi,yi),i=1,2,…,n∗∗)\left.Mi\left(x_{i},y_{i}\right),i=1,2,\ldots,n^{**}\right).

La démonstration résulte du lemme 15. En vertu de la formule (52), A​[fn+1],A​[f]A\left[f_{n+1}\right],A[f] coincident, en dehors d’un facteur constant, avec le paramètre αn+1\alpha_{n+1} de la foction F​(x;α1,α2,…,αn+1)=∑k=1n+1αk​φk​(x)F\left(x;\alpha_{1},\alpha_{2},\ldots,\alpha_{n+1}\right)=\sum_{k=1}^{n+1}\alpha_{k}\varphi_{k}(x) qui engendre l’ensemble ℱn+1\mathscr{F}_{n+1}. Le lemme 17 résulte alors du lemme 13 du § précédent.

Remarquons que, sous les hypothèses du lemme 16, l’ensemble des éléments de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1}, pour lesquels A​[f]A[f] prend la même valeur CC, est du type In​[a,b]I_{n}[a,b]. Nous avons donc le

Lemme 18. - Si ℱn,ℱn+1,ℱn⊂ℱn+1\mathscr{F}_{n},\mathscr{F}_{n+1},\mathscr{F}_{n}\subset\mathscr{F}_{n+1} sont des ensembles interpolatoires quelconques (non pas necessairement linéaires) et si les hypothèses du lemme 15 sont vérifiées, de la monotonie de la fonctionnelle A​[f]A[f] sur tout épi (dans le sens du lemme 16), il résulte que l’ensemble des éléments de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1} sur lesquels A​[t]A[t] prend une même valeur CC, est du type In​[a,b]I_{n}[a,b].
*) S•i la suite de fonctions {fk​(x)}k=1∞\left\{f_{k}(x)\right\}_{k=1}^{\infty}, tend uniformément vers f​(x)f(x) sur [a,b][a,b], nous avons A​[fk]→A​[f]A\left[f_{k}\right]\rightarrow A[f].
∗∗ ). Cette monotonie sera dite une montonie sur l’épi S​(x1,x2,…,xn;y)S\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n};y\right).

Nous en déduisons aussi le
théorème 20, - Si les conditions du lemme 16 sont vérifiées et si.
1∘1^{\circ}. A [f][f] est monotone sur tout épi de l’ensemble fn+1f_{n+1},
2∘.C≠02^{\circ}.C\neq 0 étant quelconque, on a A​[φ]≠CA[\varphi]\neq C pour toute fonction φ​(x)\varphi(x) qui est convexe ou concave par rapport à l’ensemble des foctions ff de ℱn+1\mathcal{F}_{n+1} pour lesquelles nous avons A​[f]=CA[f]=C,
alors pour toute fonction f​(x)f(x) continue sur [a,b][a,b], il existe un système de n+1n+1 points ξ1,ξ2,…,ξn+1\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1} de [a,b][a,b] tel que A​[f]=A​[L​(ξ1,ξ2,…,ξn;f∣x)]A[f]=A\left[L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n};f\mid x\right)\right].

La démonstration revient à l’application du lemme 14 au sousensemble formé par les foctions ff de ℱn+1\mathscr{F}_{n+1} pour lesquelles A​[f]=A​[ρ]=C≠0A[f]=A[\rho]=C_{\neq 0} Si C=0C=0 nous revenons au lemme 14 .
4. - Nous allons donner une application du théorème 20, en particu. larisant les ensembles ℱn\mathscr{F}_{n} et ℱn+1\mathscr{F}_{n+1}. Considérons l’ensemble des polynome du degré (au plus égal à) nn et le sous-ensemble formé par les polynome du degré n−1,n≧1n-1,n\geqq 1. Soit f​(x)f(x) une fonction continue sur l’intervalle [a,b][a,b], et Tn−1∗​(x)T_{n-1}^{*}(x), le polynome de meilleure approximation du degie n−1n-1, de la fonction f​(x)f(x), sur l’intervalle [a,b][a,b]. Comformément à la dé. finition du polynome Tn−1∗​(x)T_{n-1}^{*}(x),

μn−1[f]=maxx⁣∈⁣[a.b]|f(x)−Tn−1∗(x)|, où μn−1[f]==minTn−1∈𝒟n|maxx∈[a,b]⁡|f​(x)−Tn−1​(x)∣\begin{array}[]{r}\mu_{n-1}[f]=\max_{x\in[a.b]}\left|f(x)-T_{n-1}^{*}(x)\right|,\text{ où }\mu_{n-1}[f]=\\ =\min_{T_{n-1}\in\mathcal{D}_{n}}\left|\max_{x\in[a,b]}\right|f(x)-T_{n-1}(x)\mid\end{array}

On sait que le polynome Tn−1∗​(x)T_{n-1}^{*}(x) existe et est unique.
Désignos par V​(x1,x2,…,xn+1)\mathrm{V}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1}\right) le déterminant de Vandermonde de nombres x1,x2,…,xn+1x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1} et par [x1,x2,…,xn+1;j]\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};j\right] la différence divisée d’ordre nn de la fonction f​(x)f(x) sur les points (supposées distincts) x1,x2,…x_{1},x_{2},\ldots. xn+1x_{n+1}. On sait que

=ρn−1​(x1,x2,…,xn+1;f)=∑i=1n+1V​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1)​|[x1,x2,…,xn+1;f]|=\frac{\rho_{n-1}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right)=}{\sum_{i=1}^{n+1}V\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1}\right)}\left|\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]\right| (53)

est la meilleure approximation de la fonction f​(x)f(x), par des polynomes du degre n−1n-1 sur les points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1}. D’aprés le théorème bien connu de de la Vallée Poussin, nous avons

μn−1​[f]=max⁡ρn−1​(x1,x2,…,xn+1;f)\mu_{n-1}[f]=\max\rho_{n-1}\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right) (54)

le maximum du second membre étant relatif à tous les systèmes de n+1n+1 points x1<x2<…<xn+1x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{n+1} de l’intervalle [a,b][a,b]. On peut remarquer q1è q^{\text{1è }}
le maximum de

|∑i=1n+1V​(x1,x2,…,xi−1,xi+1,…,xn+1)|\left|\sum_{i=1}^{n+1}V\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{i-1},x_{i+1},\ldots,x_{n+1}\right)\right|

dans les mêmes conditions, est la meilleure approximation de la fonction f(x)==xnf(x)==x^{n} par des polynomes du degré n−1n-1, sur l’intervalle [a,b][a,b], donc est égal à (b−a)n22​n\frac{(b-a)^{n}}{2^{2n}}. Il en résulte que si p​(x)∈∇n+1p(x)\in\nabla_{n+1} et p​(x)​ϵ¯,∇np(x)\bar{\epsilon},\nabla_{n} nous avons

μn−1​[p]=(b−a)n22​n​|[x1,x2,…,xn+1;p]|\mu_{n-1}[p]=\frac{(b-a)^{n}}{2^{2n}}\left|\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};p\right]\right| (55)

le facteur |[x1,x2,…,xn+1;p]|\left|\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};p\right]\right| étant constant et égal à la valeur absolue du coefficient de xnx^{n} du polynome p​(x)p(x).
nome p​(xn)∈pn+1​(α)p\left(x_{n}\right)\in p_{n+1}(\alpha) tel que p​(xi),i=1,2,…,np\left(x_{i}\right),i=1,2,\ldots,n. Mais L(x1,x2,…,xn,xn+1;q1L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1;q_{1}}\right. coincide sur n+1n+1 points avec la foction f​(x)f(x) qui est concave per rapport à pn+1​(α)p_{n+1}(\alpha), donc p(xn+1)−L(x1,x2,…,xn,xn+1;f(xn+1)>0p\left(x_{n+1}\right)-L\left(x_{1},x_{2},\ldots,x_{n},x_{n+1};f\left(x_{n+1}\right)>0\right. ce qui est équivalent avec [x1,x2,…,xn+1;f]<α\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]<\alpha. Dans la dem stration de cette inégalité, nous avons tenu compte du fait que quels que soient les points M1(x1,y1),M2(x2,y2),…,Mn(xn,ynM_{1}\left(x_{1},y_{1}\right),M_{2}\left(x_{2},y_{2}\right),\ldots,M_{n}\left(x_{n},y_{n}\right.. x1,<x2<…<xnx_{1},<x_{2}<\ldots<x_{n} si xn+1>xnx_{n+1}>x_{n} et si p1​(x),p2​(x)p_{1}(x),p_{2}(x), sont deux polynoms de l’épi relatif a ces points, alors de p1​(xn+1)>p2​(xn+1)p_{1}\left(x_{n+1}\right)>p_{2}\left(x_{n+1}\right) il résulte q(xk[x1,x2,…,xn+1;p1]>[x1,x2,…,xn+1;p2]q\left(x_{k}\right.\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};p_{1}\right]>\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};p_{2}\right].

De ce qui précede on peut déduire quelques précisions sur la meilleur approximation de la fonction f​(x)f(x) par des polynomes de l’ensemble p¯3\bar{p}_{3} Nous gardons toujours l’hypothèse de la convexité de la fonction f​(x)f(x), qunous supposons aussi continue sur l’intervalle [a,b][a,b]. Soit alors ℰni \mathscr{E}_{\text{ni }} l’ensemble des points de [a,b][a,b] pour lesquels nous avons |f(x)−Tn−1∗(x)|==μn−1[f]\left|f(x)-T_{n-1}^{*}(x)\right|==\mu_{n-1}[f], où Tn−1∗​(x)T_{n-1}^{*}(x) est le polynome de meilleure approximatio : du degré n−1n-1 de la foction f​(x)f(x) sur l’intervalle [a,b][a,b]. L’ensemble ℰn−1\mathscr{E}_{n-1} et fermé et soit alors ξ=infℰn−1\xi=\inf\mathscr{E}_{n-1}. Nous avons |f(ξ)−Tn−1+(ξ)|=μn−1[j\left|f(\xi)-T_{n-1}^{+}(\xi)\right|=\mu_{n-1}[j. Posons

δn−1​[f]=(−1)n​[f​(ξ)−Tn−1∗​(ξ)].\delta_{n-1}[f]=(-1)^{n}\left[f(\xi)-T_{n-1}^{*}(\xi)\right]. (57)

On peut remarquer que si f​(x)f(x) coincide avec un élément p​(x)p(x) de Pn−1P_{n-1} qui ne se réduit pas à un polynome du degré n−1n-1, la fonctionnelle défina par (57) coincide avec δn−1\delta_{n-1} [ pp ] donné par (56).

Sous les hypothèses faites sur la fonction f​(x)f(x), ∂n−1[f]\partial_{\,n-1}[f] ne peut jamais coïncider avec δn−1​[p]\delta_{\,n-1}[p], si p∈𝒫n+1​(α)p\in\mathcal{P}_{n+1}(\alpha). En effet, d’après la remarque faite sur la différence divisée

[x1,x2,…,xn+1;f],[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f],

où les points xix_{i}, i=1,2,…,n+1i=1,2,\ldots,n+1, sont arbitraires dans [a,b][a,b], il résulte que f​(x)f(x) est une fonction à différences divisées bornées, au sens de la définition donnée par T. Popoviciu [9].

Ce résultat s’obtient aisément. Des propriétés des fonctions convexes d’ordre supérieur, il résulte d’abord que l’ensemble des éléments de 𝒫n+1(2)\mathcal{P}_{n+1}^{(2)} qui coïncident en nn points distincts avec f​(x)f(x) est également borné. Il en résulte aussi que l’ensemble des éléments de 𝒫n+1\mathcal{P}_{n+1} qui coïncident en n+1n+1 points avec f​(x)f(x) et qui sont tous concaves par rapport à 𝒫n+1​(α)\mathcal{P}_{n+1}(\alpha) est également borné.

Le fait que les différences divisées

[x1,x2,…,xn+1;f][x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f]

soient bornées découle alors de la majoration bien connue des coefficients d’un ensemble également borné de polynômes de même degré.

Nous avons donc …

μn−1​[f]=(b−a)n22​n​{maxx1,x1,…,xn+1⁡|[x1,x2,…,xn+1;f]|}\mu_{n-1}[f]=\frac{(b-a)^{n}}{2^{2n}}\left\{\max_{x_{1},x_{1},\ldots,x_{n+1}}\left|\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]\right|\right\} (58)

Du fait que nous avons toujours [x1,x2,…,xn+1;f]≠α\left[x_{1},x_{2},\ldots,x_{n+1};f\right]\neq\alpha, il résulte qqu q^{\text{qu }} nous ne pouvons jamais avoir δn−1​[f]=δn−1​[p]\delta_{n-1}[f]=\delta_{n-1}[p] si p∈𝒪n+1​(α)p\in\mathcal{O}_{n+1}(\alpha).

Passons à l’application du théorème 20. Considérons la fonctionull A​[f]=δn−1​[f]A[f]=\delta_{n-1}[f]. En vertu des remarques faites plus haut, elle véifi toutes les condition de l’énoncé du théorème 20. En ce qui concerne l {}^{\text{l }} continuité de cette fonctionnelle, par rapport à. En ce qui cólément d l’espace des fonctions continues sur l’intervalle [a,b][a,b] et par rapport à la 1 I’s
trique uniforme*), elle est bien connue. Nous sommes ici dans le cas de l’application du théorème 20 à une fonctionnelle non linéaire.

Si f​(x)f(x) est une foction continue sur l’intervalle [a,b][a,b], nous avons le téoreme 21. - Si μn−1​[f]\mu_{n-1}[f] est la meilleure approximation de la fonction f​(x)f(x) par des polynomes du degré n−1n-1 sur l’intervalle [a,b][a,b], ils existent dans [a,b]​n+1[a,b]n+1 points ξ1,ξ2,…,ξn+1\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1}, tels que le polynome d’interpolation de Lagrange L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;f∣x)L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};f\mid x\right) sur les noeuds ξi,i=1,2,…,n+1\xi_{i},i=1,2,\ldots,n+1, ait la propriété**)

μn−1​[L​(ξ1,ξ2,…,ξn+1;f∣x)]=μn−1​[f].\mu_{n-1}\left[L\left(\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n+1};f\mid x\right)\right]=\mu_{n-1}[f]. (59)

Ce théorème nous conduit à une remarque intéressante sur les nombres μk​[f],k=0,1,…\mu_{k}[f],k=0,1,\ldots On sait que la suite de ces nombres est non-croissante. En vertu du théorème de weierstrass, nous avons limk→∞μk​[f]=0\lim_{k\rightarrow\infty}\mu_{k}[f]=0. Le théorème 21 nous montre que nous avons μk​[f]=(b−a)k→+122​k+2​Mk​[f]\mu_{k}[f]=\frac{(b-a)^{k\rightarrow+1}}{2^{2k+2}}M_{k}[f]. L’étude de la structure des nombres Mk​[f],k=0,1,…M_{k}[f],k=0,1,\ldots, sous l’hypothèse de la continuité de la fonction f​(x)f(x), conduirair peut être à lá démonstration du théorème de weierstrass, a l’aide des polynomes de meilleure approximation. Le problème d’une telle démonstration a été signalé aussi ailleurs [8].

Le théorème 20 a aussi d’autres applications dans l’étude de la structure de certaines fonctionnelles qui interviennent dans l’analyse numérique. Un intérret tout particulier présente, pour une fonctionnelle donnée A​[f]A[f], la recherche d’un ensemble interpolatoire d’ordre n+1≧2n+1\geqq 2, tel que les hypothèses du théorème 20 soit vérifiées.

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00footnotetext: *). La métrique ρ​(f1,f2)=maxx∈[a,b]​|f1​(x)−f2​(x)|\rho\left(f_{1},f_{2}\right)=\underset{x\in[a,b]}{\max}\left|f_{1}(x)-f_{2}(x)\right|
**). De δn−1​[f]=A\delta_{n-1}[f]=A il résulte évidemment que μn−1​[f]=|A|\mu_{n-1}[f]=|A|.

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Reçu le 7 noembre 1958.

1959

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