Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une somme de Riemann arithmétique

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Solution by Vinz · FR

On se donne A\mathcal{A} une partie dense de l’espace des fonctions continue sur [0,1][0,1] muni de la norme infinie.
Soit ϵ>0\epsilon >0, il existe gϵ=g∈Ag_\epsilon=g\in \mathcal{A} tel que ∀t∈[0,1]\forall t\in [0,1], ∣f(t)−g(t))∣≤ϵ|f(t)-g(t) )| \leq \epsilon. Ainsi, pour tout n≥1n\geq 1,

∣1φ(n)∑k∧n=1f(kn) −∫01f(t) dt∣≤1φ(n)∑k∧n=1∣f(kn)−g(kn)∣+∫01∣f(t)−g(t)∣dt+∣1φ(n)∑k∧n=1g(kn) −∫01g(t) dt∣≤2ϵ+∣1φ(n)∑k∧n=1g(kn) −∫01g(t) dt∣\left | \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } f\left(\frac{k}{n}\right)\,-\int_{0}^1 f(t)\,dt \right | \leq \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } \left | f\left(\frac{k}{n}\right)-g\left(\frac{k}{n}\right) \right |+ \int_{0}^1 \left | f(t)-g(t) \right | dt \quad +\left | \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } g\left(\frac{k}{n}\right) \,-\int_{0}^1 g(t)\,dt \right | \\ \leq 2\epsilon + \left | \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } g\left(\frac{k}{n}\right) \,-\int_{0}^1 g(t)\,dt \right |

Supposons maintenant le résultat vrai pour les fonctions de A\mathcal{A}. Puisque gϵ∈Ag_\epsilon \in \mathcal{A}, pour nn assez grand, on a ∣1φ(n)∑k∧n=1f(kn) −∫01f(t) dt∣≤3ϵ\left | \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } f\left(\frac{k}{n}\right)\,-\int_{0}^1 f(t)\,dt \right | \leq 3\epsilon, ce qui prouve le résultat pour toute fonction ff.

Or, d’après le théorème de Féjer, l’espace des polynômes trigonométriques est dense. De plus, cet espace est engendré par la famille des fonctions t↦e2imπtt\mapsto e^{2i m\pi t}, m∈Zm\in \mathbb{Z} et les applications f⟼1φ(n)∑k∧n=1f(kn) −∫01f(t) dtf\longmapsto \frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } f\left(\frac{k}{n}\right)\,-\int_{0}^1 f(t)\,dt, n≥1n\geq 1 sont linéaires, donc il suffit de montrer le résultat pour cette famille.

Soit m∈Zm\in \mathbb{Z}, on veut donc montrer que
1φ(n)∑k∧n=1e2imπk/n→n→+∞∫01e2imπt dt.\frac{1}{\varphi(n)}\sum_{k\land n=1 } e^{2i m \pi k/n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} \int_{0}^1 e^{2i m\pi t}\,dt.Si m=0m=0, l’intégrale vaut 11 et le résultat est clair. Sinon l’intégrale est nulle. On suppose donc que m≠0m\neq 0 et on pose pour tout n≥1n\geq 1,
S(n)=∑k∧n=1e2imπk/n.S(n)=\sum_{k\land n=1 } e^{2i m \pi k/n}.Soit n≥1n\geq 1. Les {k/d, ,k∧d=1}\{k/d,\,,k\land d=1\} où d∣nd | n forment une partition de {k/n, 1≤k≤n}\{k/n,\,1\leq k \leq n\}, donc
∑d∣nS(d)=∑d∣n∑k∧d=1e2imπk/d.=∑k=1ne2imπk/n={nsi n∣m0sinon\sum_{d | n}S(d)=\sum_{d | n} \sum_{k\land d=1 } e^{2i m \pi k/d}. =\sum_{k=1}^n e^{2i m \pi k/n}=\begin{cases} n \quad \text{si $n|m$} \\ 0 \quad \text{sinon} \end{cases}Donc d’après la formule d’inversion de Moebius,
S(n)=∑d∣nμ(n/d) d 1d∣n=∑d∣n∧mμ(n/d) dS(n)=\sum_{d|n} \mu(n/d)\,d\,\mathrm{1}_{d|n}=\sum_{d|n\land m} \mu(n/d)\,dAinsi,
∣S(n)∣≤∑d∣n∧md≤∑d∣md|S(n)|\leq \sum_{d|n\land m}d \leq \sum_{d|m}dCe qui prouve que la suite (S(n))n(S(n))_n est bornée. Et comme φ(n)→n→+∞+∞\varphi(n) \xrightarrow[n\to +\infty]{}+\infty, on a le résultat.

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