Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Limite d’une norme

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Solution by Lucky1729 · FR

ff étant continue sur le segment [a,b][a,b], celle-ci est bornée et atteint ses bornes. Cela signifie en particulier qu’il existe x0∈[a,b]x_{0} \in [a,b] tel que f(x0)=max⁡x∈[a,b]f(x)f(x_{0})=\max\limits_{x \in [a,b]} f(x).

Si f(x0)=0f(x_{0})=0, alors ff est la fonction nulle sur [a,b][a,b] et il est alors clair que lim⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n=0\lim\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} = 0.

Supposons maintenant f(x0)≠0f(x_{0})\neq0. Quitte à diviser la fonction ff par f(x0)f(x_{0}), on peut supposer sans perte de généralité que f(x0)=1f(x_{0})=1. On remarque ainsi dans un premier temps que pour tout n∈N∗n\in \mathbb{N}^{*} :
(∫ab(f(x))n dx)1n⩽(∫ab1n dx)1n=(b−a)1n.\Big( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx \Big)^{\frac{1}{n}} \leqslant \Big( \int_{a}^{b} 1^n \,dx \Big)^{\frac{1}{n}} = (b-a)^{\frac{1}{n}}.En passant à la lim sup⁡\limsup quand n→+∞n \rightarrow +\infty, il vient alors : lim sup⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n⩽1\limsup\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} \leqslant 1.
Fixons maintenant k⩾2k \geqslant 2 un entier. Par continuité de ff en x0x_0, on sait qu’il existe ϵk>0\epsilon_{k}>0 tel que pour tout x∈[a,b]x\in[a,b] vérifiant ∣x−x0∣<ϵk|x-x_{0}|<\epsilon_{k}, on ait f(x)⩾1−1kf(x)\geqslant 1-\frac{1}{k}. On peut alors remarquer que pour tout n∈N∗n\in \mathbb{N}^{*} :
(∫ab(f(x))n dx)1n⩾(∫ab(1−1k)n⋅1∣x−x0∣<ϵk(x) dx)1n⩾(1−1k)⋅(ϵk)1n.\Big( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx \Big)^{\frac{1}{n}} \geqslant \Big( \int_{a}^{b} \Big(1-\frac{1}{k}\Big)^n \cdot \textbf{1}_{|x-x_{0}|<\epsilon_{k}}(x) \,dx \Big)^{\frac{1}{n}} \geqslant \Big(1-\frac{1}{k}\Big)\cdot (\epsilon_{k})^{\frac{1}{n}} .En passant à la lim inf⁡\liminf quand n→+∞n \rightarrow +\infty, il vient alors : lim inf⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n⩾1−1k\liminf\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} \geqslant 1-\frac{1}{k}. Cette dernière inégalité étant valable pour tout entier k⩾2k \geqslant 2, on obtient finalement lim inf⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n⩾1\liminf\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} \geqslant 1.
On a ainsi montré 1⩽lim inf⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n⩽lim sup⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n⩽11 \leqslant \liminf\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} \leqslant \limsup\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} \leqslant 1, d’où le fait que ((∫ab(f(x))n dx)1n)n∈N∗(( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}})_{n\in \mathbb{N}^{*}} converge avec lim⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n=1\lim\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} = 1.

De manière générale, on a par conséquent lim⁡n→∞(∫ab(f(x))n dx)1n=max⁡x∈[a,b]f(x)\lim\limits_{n \rightarrow \infty} ( \int_{a}^{b} (f(x))^n \,dx )^{\frac{1}{n}} = \max\limits_{x \in [a,b]} f(x).

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