% Jean-Pierre Demailly
% Universit\'e de Grenoble I, Institut Fourier
% \'Equations Diff\'erentielles et Analyse Num\'erique
% Collection Grenoble-Sciences, Presses Universitaires de Grenoble

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  \textfont\Calfam=\tenCal
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\def\Cal{\fam\Calfam\tenCal}

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\def\euf{\fam\euffam\teneuf}

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% changing font sizes
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\def\eightpointbf{%
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\def\tenpointbf{%
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\def\twelvepointbf{%
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 \twelvebss
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\def\fourteenpointbf{%
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 \fourteenbss
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\def\seventeenpointbf{%
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\def\twelvepoint{%
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\def\fourteenpoint{%
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 \fourteenss
 \baselineskip=17.28pt}

\def\seventeenpoint{%
 \textfont0=\seventeenrm \scriptfont0=\twelverm  \scriptscriptfont0=\eightrm
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 \seventeenss
 \baselineskip=20.736pt}

\def\twentypoint{%
 \textfont0=\twentyrm  \scriptfont0=\fourteenrm \scriptscriptfont0=\eightrm
 \textfont1=\twentyi   \scriptfont1=\fourteeni  \scriptscriptfont1=\eighti
 \textfont2=\twentysy \scriptfont2=\fourteensy  \scriptscriptfont2=\eightsy
 \twentyss
 \baselineskip=24.8832pt}
 
% main item macros

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\newdimen\irdim \irdim=\hsize
\def\NOSECTREF#1{\noindent\hbox to \srdim{\null\dotfill ???(#1)}}
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\def\INDREF#1{\noindent\hbox to \irdim{\csname IND\romannumeral#1\endcsname}}
\newlinechar=`\^^J
\def\openauxfile{
  \immediate\openin1\jobname.aux
  \ifeof1
  \message{^^JCAUTION\string: you MUST run TeX a second time^^J}
  \let\sectref=\NOSECTREF \let\indref=\NOSECTREF
  \else
  \input \jobname.aux
  \message{^^JCAUTION\string: if the file has just been modified you may 
    have to run TeX twice^^J}
  \let\sectref=\SECTREF \let\indref=\INDREF
  \fi
  \message{to get correct page numbers displayed in Contents or Index 
    Tables^^J}
  \immediate\openout1=\jobname.aux
  \let\END=\end \def\end{\immediate\closeout1\END}}
        
\newcount\notthispage \notthispage=1

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\newbox\sectionbox \setbox\sectionbox\hbox{\hfil}
\newbox\chapterbox \setbox\chapterbox\hbox{\hfil}
\newbox\bookbox \setbox\bookbox\hbox{\hfil}
\newbox\ebookbox \setbox\ebookbox\hbox{\hfil}

\def\fakeskip{$\rlap{\phantom{\vrule height18pt depth2pt width0pt}}$}
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\def\upperblackline{\rlap{\vrule width \hsize height 11pt depth -10.7pt}}

\def\foliotoc{\ifnum\pageno=\notthispage \hfil
           \else \ifodd\pageno \blackline%
           {\tenss \copy\chapterbox%
           \hfill\romannumeral\pageno}\else\blackline%
           {\tenss\romannumeral\pageno\hfill\copy\titlebox}\fi\fi}
\def\foliochap{\ifnum\pageno=\notthispage \hfil
           \else \ifodd\pageno \blackline%
           {\tenss \copy\sectionbox%
           \hfill\number\pageno}\else\blackline%
           {\tenss\number\pageno\hfill\copy\chapterbox}\fi\fi}
\def\folioref{\ifnum\pageno=\notthispage \hfil
           \else \ifodd\pageno \blackline%
           {\tenss \copy\chapterbox%
           \hfill\number\pageno}\else\blackline%
           {\tenss\number\pageno\hfill\copy\titlebox}\fi\fi}
\def\foliopapebook{\blackline{\copy\bookbox\hfill\copy\ebookbox}}

\footline={\hfil}

\let\forceheader\eject
\def\blankline{\phantom{}\hfil\vskip0pt}
\def\chapterspacing{\phantom{$\ $}\vskip2.5cm}
\def\titlerunning#1{\setbox\titlebox\hbox{\tenss #1}}
\def\chapterrunning#1{\notthispage=\pageno
    \setbox\chapterbox\hbox{\tenss #1}}
\def\title#1{\noindent\hfil$\smash{\hbox{\seventeenpointbf #1}}$\hfil
             \titlerunning{#1}\medskip}
\def\titleleft#1{\noindent$\smash{\hbox{\seventeenpointbf #1}}$\hfil
                 \titlerunning{#1}\medskip}

\def\supersection#1{%
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  \vbox{\baselineskip=17.28pt\noindent{{\fourteenpointbf #1}}}
  \vskip3pt
  \penalty 500
  \titlerunning{#1}}

\newcount\numbersection \numbersection=-1
\def\sectionrunning#1{\setbox\sectionbox\hbox{\tenss #1}
  \write1{\string\def\string\REF
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      \noexpand#1 \string\dotfill\string\space\number\pageno\string}}}

\def\RGBColor#1#2{\special{color push rgb #1}#2\special{color pop}}

\ifcolorized
\def\maincolor#1{\RGBColor{0 0 0.5}{#1}}
\else
\def\maincolor#1{#1}
\fi
\def\colorstate#1{\noindent\maincolor{{\bf #1.}}}

\def\section#1{%
  \removelastskip
  \vskip1cm\penalty -100
  \vbox{\baselineskip=17.28pt\noindent{\maincolor{\seventeenpoint #1\vskip0pt}}}
  \vskip1pt
  \penalty 500
  \advance\numbersection by 1
  \sectionrunning{#1}}

\def\subsection#1{%
  \removelastskip
  \vskip0.5cm\penalty -100
  \vbox{\noindent{\maincolor{\fourteenpoint #1\vskip0pt}}}
  \penalty 500}

\newcount\numberindex \numberindex=0  
\def\index#1#2{%
  \advance\numberindex by 1
  \write1{\string\def \string\IND #1%
     \romannumeral\numberindex \string{%
     \noexpand#2 \string\dotfill \space \number\numbersection, 
     p.\string\ \space\number\pageno \string}}}

\newcount\numberchap 
\iftocfirst \numberchap=-2 \else \numberchap=-1 \fi

\def\CHpage{
   \immediate\write1{\string\def\string\CH \romannumeral\numberchap\string{%
   \number\pageno\string}}}

\def\chapterjump{
  \vfill\eject
  \ifodd\pageno \else {\headline={\hfil}\null\vskip0pt\vfill\eject} \fi
  \advance\numberchap by 1
  \CHpage
}

\def\numpage#1{~\dotfill~#1}

\newdimen\dpp
\newbox\claimbox \setbox\claimbox\hbox{\hfil}

\long\def\claim#1#2\endclaim{\par\vskip 5pt\noindent 
{{\tenpointbf\maincolor{#1.}}\ {\it #2}\vskip-18pt}
\strut\kern\hsize
\ifcolorized
\special{" gsave 0.8 0.8 0.1 setrgbcolor -1 -1 scale
0 6 moveto 7 0 rlineto 0 -3 rlineto -4 0 rlineto 0 -4 rlineto
-3 0 rlineto closepath fill grestore}%
\else
\special{" gsave 0.667 setgray -1 -1 scale
0 6 moveto 7 0 rlineto 0 -3 rlineto -4 0 rlineto 0 -4 rlineto
-3 0 rlineto closepath fill grestore}%
\fi
\par\vskip11pt}

\long\def\exo#1#2\endexo{\par\vskip 5pt\noindent 
{\tenpointbf\maincolor{#1.}}\ {\rm #2}\par}

\def\ceqno(#1){\eqno{{\maincolor{(#1)}}}}
\def\cleqno(#1){\leqno{{\maincolor{(#1)}}}}

\def\eqleqno#1\hfill#2{\leqno
\hbox to 0.0001pt{\rlap{\rlap{\maincolor{#1}}%
\kern\hsize\llap{\maincolor{#2}}}}}

\def\joinrel{\mathrel{\mkern-3.5mu}}
\def\llra{\relbar\joinrel\relbar\joinrel\longrightarrow}
\def\llmapsto{\mapstochar\relbar\joinrel\relbar\joinrel\longrightarrow}
\def\vlra#1|{\mathrel{\hbox to#1mm{\rightarrowfill}}}


% Usual sets of numbers  
\def\bC{{\Bbb C}}
\def\bK{{\Bbb K}}
\def\bN{{\Bbb N}}
\def\bP{{\Bbb P}}
\def\bQ{{\Bbb Q}}
\def\bR{{\Bbb R}}
\def\bZ{{\Bbb Z}}

% Calligraphic capital letters
\def\cA{{\Cal A}}
\def\cC{{\Cal C}}
\def\cD{{\Cal D}}
\def\cE{{\Cal E}}
\def\cF{{\Cal F}}
\def\cG{{\Cal G}}
\def\cI{{\Cal I}}
\def\cL{{\Cal L}}
\def\cN{{\Cal N}}
\def\cP{{\Cal P}}
\def\cR{{\Cal R}}
\def\cS{{\Cal S}}
\def\cT{{\Cal T}}
\def\cV{{\Cal V}}

\def\tC{\smash{\tilde C}}

\def\tvi{{\vrule height 10pt depth 5pt width 0pt}}
\def\tv{\tvi\vrule}
\def\hexnbr#1{\ifnum#1<10 \number#1\else
 \ifnum#1=10 A\else\ifnum#1=11 B\else\ifnum#1=12 C\else
 \ifnum#1=13 D\else\ifnum#1=14 E\else\ifnum#1=15 F\fi\fi\fi\fi\fi\fi\fi}
\def\msatype{\hexnbr\msafam}
\def\msbtype{\hexnbr\msbfam}

\mathchardef\smallsetminus="2\msbtype72   \let\ssm\smallsetminus
\mathchardef\restr="3\msatype16
\mathchardef\supsetneqq="3\msbtype25
\mathchardef\subsetneq="3\msbtype28
\mathchardef\supsetneq="3\msbtype29
\mathchardef\leqslant="3\msatype36
\mathchardef\geqslant="3\msatype3E
\mathchardef\complement="0\msatype7B
\let\ge=\geqslant
\let\le=\leqslant
\let\dsp=\displaystyle

\def\VVert{{|}\kern-1.2pt{|}\kern-1.2pt{|}}

\def\square{\maincolor{\hfill \hbox{
\vrule height 1.453ex  width 0.093ex  depth 0ex
\vrule height 1.5ex  width 1.3ex  depth -1.407ex\kern-0.1ex
\vrule height 1.453ex  width 0.093ex  depth 0ex\kern-1.35ex
\vrule height 0.093ex  width 1.3ex  depth 0ex}}}
\def\qed{\phantom{$\quad$}$\square$}

\def\frac#1#2{{#1\over #2}}
\def\dfrac#1#2{{#1\over #2}}
\def\fracs#1#2{{\scriptstyle{#1\over#2}}}
\def\fracss#1#2{{\scriptscriptstyle{#1\over#2}}}

\catcode`@=11
\def\ccmalign#1#2{\null\,\vcenter{\normalbaselines\m@th
    \ialign{$\displaystyle ##$\hfil&&\kern#1$\displaystyle ##$\hfil\crcr
      \mathstrut\crcr\noalign{\kern-\baselineskip}
      #2\crcr\mathstrut\crcr\noalign{\kern-\baselineskip}}}\,}
\def\cmalign#1{\null\,\vcenter{\normalbaselines\m@th
    \ialign{\hfil$##$&&$##$\hfil\crcr
      \mathstrut\crcr\noalign{\kern-\baselineskip}
      #1\crcr\mathstrut\crcr\noalign{\kern-\baselineskip}}}\,}
\catcode`@=12

\def\coloritem#1{\item{\maincolor{#1}}}

\def\itemv{%
\item{\llap{$\square\kern7pt$}\llap{$\raise0.6pt\hbox{$\times$}\kern6pt$}}}
\def\itemf{%
\item{\llap{$\square\kern7pt$}}}

\def\bul{$\scriptstyle\bullet$}

\def\bigzero{\hbox{~\seventeenrm 0~~~}}
\def\branch{\raise2pt\hbox{
   \vbox{\hbox{\vrule height 0.4pt depth 0pt width 12.2pt}
         \hbox{\raise-11.6pt\hbox{\twelveline\char"00}}}}}
\def\?{\hbox{$\,$}}
\def\lguil{\hbox{%
\raise1pt\hbox{$\scriptscriptstyle\langle\!\langle\kern1pt$}}}
\def\rguil{\hbox{%
\raise1pt\hbox{$\kern1pt\scriptscriptstyle\rangle\!\rangle$}}}

\def\sqind#1{\kern1.5pt\rlap{\raise5pt\hbox{$\scriptstyle#1$}}\kern-1.5pt}

\def\KH{{\rm KH}}
\def\Riemann{{\rm Riemann}}
\def\eq{\mathop{\rm =}}
\def\Bij{\mathop{\rm Bij}}
\def\tr{\mathop{\rm tr}}
\def\Log{\mathop{\rm Log}}
\def\Mat{\mathop{\rm Mat}}
\def\Ker{\mathop{\rm Ker}}
\def\Vect{\mathop{\rm Vect}}
\def\rang{\mathop{\rm rang}\nolimits}
\def\Inv{\mathop{\rm Inv}}
\def\Sp{\mathop{\rm Sp}\nolimits}
\def\Arccos{\mathop{\rm Arccos}}
\def\Arcsin{\mathop{\rm Arcsin}}
\def\Arctan{\mathop{\rm Arctan}}
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\def\Argsinh{\mathop{\rm Argsinh}}
\def\cotan{\mathop{\rm cotan}}
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\def\Id{\mathop{\rm Id}\nolimits}
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\def\Jac{\mathop{\rm Jac}}
\def\Supp{\mathop{\rm Supp}}
\def\oscil{\mathop{\rm oscil}}
\def\vol{\mathop{\rm vol}}
\def\aspect{\mathop{\rm aspect}}
\def\aire{\mathop{\rm aire}}
\def\longueur{\mathop{\rm longueur}}
\def\diam{\mathop{\rm diam}}
\def\sign{\mathop{\rm sign}}
\def\grad{\mathop{\rm grad}}
\def\rot{\mathop{\rm rot}}
\def\div{\mathop{\rm div}}
\def\Var{\mathop{\rm Var}}
\def\pf{p\kern-1pt f}
\def\dplus{\mathrel{\dot +}}

\def\note#1#2#3{\footnote{}%
{\baselineskip=8pt\leftskip=5.4mm\rlap{\strut\kern-5.4mm${}^{\rm(#2)}$}%
\hyperdef#1{}{}{}{\eightpoint #3}\vskip-15pt}%
${}^{\rm(\hyperref#1{#2})}$}
\def\\{\hfil\break}
\def\demi{\textstyle{1\over 2}}
\def\ovl{\overline}
\def\ovr{\overrightarrow}
\def\ul#1{$\underline{\smash{\hbox{#1}}}$}

\def\build#1^#2_#3{\mathop{#1}\limits^{#2}_{#3}}
\def\demo{\noindent{\it D\'emonstration.}\ }

\newbox\formulabox  \setbox\formulabox\hbox{\hfil}
\newdimen\wdd \newdimen\htt
\def\boxed#1#2{\setbox\formulabox\hbox{$\displaystyle #2$}
\wdd=8pt \advance \wdd by \wd\formulabox
\htt=4pt \advance \htt by \ht\formulabox
\dpp=4pt \advance \dpp by \dp\formulabox
\ifcolorized
\smash{\rlap{\hbox{\RGBColor{1 0.92 0.94}{\kern-4pt\vrule width \wdd height \htt depth \dpp}}}}\else%
\smash{\rlap{\hbox{\RGBColor{0.85 0.85 0.85}{\kern-4pt\vrule width \wdd height \htt depth \dpp}}}}\fi%
\copy\formulabox}
\def\boxit#1#2{\hbox{\vrule
 \vbox{\hrule\kern#1
  \vtop{\hbox{\kern#1 #2\kern#1}%
   \kern#1\hrule}}%
 \vrule}}
\def\boxmat#1#2{\boxit{#1}{$#2$}} 

% inclusion of PostScript files
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\noindent\rlap{\hbox{\eightpointbf #1}}\kern1.2cm{\rm #2}{\it #3}{\rm #4.}} 

%%% Texte principal

\setbox\bookbox\hbox{\tenss 
\maincolor{%
Analyse num\'erique et \'equations diff\'erentielles}}
\setbox\ebookbox\hbox{\tenss 
\maincolor{%
\href{https://grenoble-sciences.ujf-grenoble.fr/pap-ebook/demailly/3-integration-numerique}{\RGBColor{0 0 1}{$\strut\,\Rightarrow$ site web compagnon$\,$}}}}

\footline={\upperblackline
\maincolor{%
\tenss Solution des probl\`emes du chap.~3\hfill
\copyright\ Grenoble Sciences, J.-P.~Demailly $\scriptstyle \bullet$ \folio}}

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\notthispage=\pageno
\strut\vskip4mm
\maincolor{%
\title{Solution des probl\`emes du chapitre 3}}
\titlerunning{\maincolor{%
Solutions des probl\`emes du chapitre 3}}
\vskip10mm

\maincolor{{\bf 6.11.}} On consid\`ere une m\'ethode de quadrature
\'el\'ementaire obtenue par interpolation d'une fonction
$f\in\cC^{l+2}([\alpha,\beta])$ en des points
$\tau_j\in[\alpha,\beta]$, $0\le j\le l$, et on utilise la m\'ethode
des diff\'erences divis\'ees pour \'evaluer l'erreur d'interpolation
$x\mapsto f(x)-p_l(x)$.\medskip

{\bf(a)} Montrons par r\'ecurrence sur $k$ la formule g\'en\'erale
$$
f[x_0,x_1\ldots,x_k]=\sum_{j=0}^k{f(x_j)\over\prod_{i\ne j}(x_j-x_i)}.
$$
La formule est vraie pour $k=0$ (le produit est alors vide et vaut $1$ par
convention). Pour $k=1$, on a bien aussi
$$
f[x_0,x_1]={f(x_1)-f(x_0)\over x_1-x_0}=
{f(x_0)\over x_0-x_1}-{f(x_1)\over x_1-x_0}.
$$
Supposons la formule vraie \`a l'ordre $k-1$, $k\ge 1$. Alors par d\'efinition
(voir II.1.3)
$$
\eqalign{
f[x_0,x_1\ldots,x_k]&=
{f[x_1,x_2\ldots,x_k]-f[x_0,x_1\ldots,x_{k-1}]\over x_k-x_0}\cr
&= {1\over x_k-x_0}\Bigg(
\sum_{j=1}^k{f(x_j)\over\prod_{i>0,i\ne j}(x_j-x_i)}
-\sum_{j=0}^{k-1}{f(x_j)\over\prod_{i<k,i\ne j}(x_j-x_i)}\Bigg)\cr
&=
\sum_{j=0}^k{f(x_j)\over\prod_{0\le i\le k,i\ne j}(x_j-x_i)},\cr}
$$
en effet les termes $j=0$ et $j=k$ proviennent respectivement des termes
correspondants de l'avant derni\`ere ligne, tandis que le coefficient des termes
$f(x_j)$, $j=1,2,\ldots,k-1$ est donn\'e par l'expression
$$
{1\over x_k-x_0}\bigg({1\over\prod_{i>0,i\ne j}(x_j-x_i)}-
{1\over\prod_{i<k,i\ne j}(x_j-x_i)}\bigg)=
{1\over x_k-x_0}{(x_j-x_0)-(x_j-x_k)\over\prod_{0\le i\le k,i\ne j}(x_j-x_i)},
$$
qui se simplifie comme indiqu\'e. On voit alors que l'expression de
$f[x_0,x_1\ldots,x_k]$ figurant dans le membre de droite de l'identit\'e
est invariante par permutation des points $x_i$, comme il r\'esulte de 
la commutativit\'e de l'addition et de la multiplication des r\'eels.

{\bf(b)} La fonction
$$x\mapsto f[x_0,x]={f(x)-f(x_0)\over x-x_0}=
\int_0^1f'(x_0+t(x-x_0))\,dt$$
s'\'etend en une fonction de classe $\cC^{l+1}$ sur $[\alpha,\beta]$ si l'on
pose $f[x_0,x_0]=f'(x_0)$~: cela r\'esulte du th\'eor\`eme de d\'erivation sous
le signe somme et du fait que $f'$ est de classe $\cC^{l+1}$. Par r\'ecurrence
sur $k$, on voit que pour des points distincts 
$\tau_i\in[\alpha,\beta]$, la diff\'erence divis\'ee 
$x\mapsto f[\tau_0,\ldots,\tau_k,x]$ s'\'etend 
\'egalement en une fonction de classe $\cC^{l+1}$ sur $[\alpha,\beta]$. 
On a en effet
$$
f[\tau_0,\ldots,\tau_k,x]={f[\tau_1,\tau_2,\ldots,\tau_k,x]-
f[\tau_0,\tau_2,\ldots,\tau_k,x]\over\tau_1-\tau_0},
$$
comme il r\'esulte de l'invariance par permutation en \'ecrivant
$f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x]=f[\tau_0,\tau_2,\ldots,\tau_k,x,\tau_1]$
et en appliquant la d\'efinition des diff\'erences divis\'ees.

{\bf(c)} Pour tout $x\in[\alpha,\beta]$ et tout
$k=0,1,\ldots,l$, il existe
$\xi_x\in[\alpha,\beta]$ tel que
$$
{d\over dx}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x]=
{1\over (k+2)!}\,f^{(k+2)}(\xi_x).\leqno(*)
$$
En effet, la remarque du II.1.3 permet de voir qu'on a en g\'en\'eral
une \'egalit\'e $f[x_0,x_1,\dots,x_k]=\frac{1}{k!}\ f^{(k)}(\xi)$, 
$\xi\in\ ]\min(x_i),\max(x_i)[$. On observe que
$$
\eqalign{
{d\over dx}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_0]
&=\lim_{x_\nu\to x_0}{f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_\nu]-
f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_0]\over x_\nu-x_0}\cr
&=\lim_{x_\nu\to x_0}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_0,x_\nu]\cr}
$$
pour toute suite $x_\nu\to x_0$,
$x_\nu\ne x_0$. Or, en appliquant le r\'esultat rappel\'e ci-dessus 
avec 2 points suppl\'ementaires, on en conclut qu'il 
existe $\xi_\nu\in[\alpha,\beta]$ tel que
$$
f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_0,x_\nu]=\frac{1}{(k+2)!}\ f^{(k+2)}(\xi_\nu)
$$
pour tout $\nu$. Par compacit\'e de l'intervalle $[\alpha,\beta]$, on
peut extraire une sous-suite convergente $\xi_\nu\to\xi_0\in[\alpha,\beta]$ 
et \`a la limite, par continuit\'e de $f^{(k+2)}$, on en d\'eduit
$$
{d\over dx}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_k,x_0]=
\frac{1}{(k+2)!}\ f^{(k+2)}(\xi_0),
$$
ce qui d\'emontre l'affirmation $(*)$.

{\bf(d)} Si $p_{l+1}$ est le polyn\^ome d'interpolation aux points $\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l,x$, nous obtenons
$$
f(x)-p_l(x)=p_{l+1}(x)-p_l(x)=\prod_{j=0}^l(x-\tau_j)\,
f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l,x]
$$
d'apr\`es les r\'esultats du II.1.3. L'erreur due \`a la formule de quadrature 
\'el\'ementaire par interpolation en $\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l$ est donc
$$
E(f)=\int_\alpha^\beta\big(f(x)-p_l(x)\big)\,dx=
\int_\alpha^\beta\prod_{j=0}^l(x-\tau_j)\,f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l,x]\,
dx.
$$
{\bf(e)} On suppose d\'esormais $[\alpha,\beta]=[-1,1]$, on consid\`ere
les points \'equidistants $\tau_j=-1+jh$ $h=2/l$, $0\le j\le l$, et on pose
$$
w(x)=\int_{-1}^x\prod_{j=0}^l(t-\tau_j)\,dt\quad\hbox{et}\quad
I_k=w(\tau_{k+1})-w(\tau_k),~~k=0,1,\ldots,l-1.
$$
Supposons d'abord $l=2n$ pair. Nous avons
$$
I_k=\int_{\tau_k}^{\tau_{k+1}}\prod_{j=0}^l(t-\tau_j)\,dt
$$
et le signe du produit change en chaque racine $\tau_j$. Le signe de $I_k$
est donc altern\'e avec $k$ (n\'egatif pour $k=l-1$, puisque seul le 
dernier terme $t-\tau_l$ est alors n\'egatif~; le signe de $I_k$ est 
donc $(-1)^{l-k}=(-1)^k$). Pour comparer $I_k$ \`a $I_{k-1}$, on peut faire
le changement de variable $t=u+h$, $u\in[\tau_{k-1},\tau_k]$, 
$t\in[\tau_k,\tau_{k+1}]$, et on a alors
par d\'ecalage des racines $\tau_j=\tau_{j-1}+h$, d'o\`u l'\'egalit\'e
$$
\prod_{j=0}^l(t-\tau_j)=\prod_{j=-1}^{l-1}(u-\tau_j)
=\prod_{j=0}^{l}(u-\tau_j){u-\tau_{-1}\over u-\tau_l}
=\prod_{j=0}^{l}(u-\tau_j){u+1+h\over u-1},
$$
et le quotient final est de valeur absolue${}\le 1$ si $u+1+h\le 1-u$, soit
$u\le -h/2$. Comme $u\in[\tau_{k-1},\tau_k]$, il suffit que $\tau_k\le -h$,
c'est-\`a-dire $k\le n-1$. Mais par ailleurs, le changement de variables 
$t\mapsto -t$, $j\mapsto l-j$ donne $\tau_{l-j}=-\tau_j$, d'o\`u
$I_k=-I_{l-1-k}=-I_{2n-1-k}$, et a fortiori $|I_{2n-1-k}|=|I_k|$, en
particulier $|I_n|=|I_{n-1}|$. Ceci montre que $k\mapsto |I_k|$ d\'ecro\^{\i}t
(strictement) pour les indices successifs $k=0,1,\ldots,n-1$ et 
cro\^{\i}t de nouveau pour les indices $k=n,n+1,\ldots,2n-1$. 

Le produit $t\mapsto\prod_{0\le j\le l}(t-\tau_j)$ est une fonction
impaire (les racines autres que $0$ sont 2 \`a 2 sym\'etriques par
rapport \`a $0$). Il en r\'esulte que $w(-1)=w(1)=0$ et que $w$ est
une fonction paire. Pour $x\in[\tau_k,\tau_{k+1}]$ avec $\tau_{k+1}\le 0$,
on voit que
$$
w(x)=I_0+I_1+\ldots+I_{k-1}+I'_k,\qquad I'_k=\int_{\tau_k}^x
\prod_{0\le j\le l}(t-\tau_j)\,dt
$$
et $I'_k$ est du m\^eme signe que $I_k$ avec $|I'_k|\le |I_k|$. L'argument
usuel des sommes partielles de s\'eries altern\'ees montre que $w(x)$ est 
du signe de $I_0$, donc $w(x)>0$ pour $x\in{}]-1,1[$.
Une int\'egration par parties dans l'expression de $E(f)$ obtenue au (d) donne
$$
E(f)=\Big[w(x)f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l,x]\Big]_{-1}^1-
\int_{-1}^1w(x)\,{d\over dx}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_l,x]\,dx,
$$
et, compte tenu de ce que $w(-1)=w(1)=0$, l'identit\'e du (c) implique
$$
E(f)=-\frac{1}{(l+2)!}\int_{-1}^1w(x)\,f^{(l+2)}(\xi_x)\,dx.\leqno(**)
$$
Les fonctions mises en jeu sont continues (et m\^eme $\cC^{l+1}$). La 
formule de la moyenne pour le poids $w(x)>0$ montre qu'il existe 
$\eta\in[-1,1]$ tel que
$$
E(f)=-{1\over(l+2)!}\,f^{(l+2)}(\eta)\,A\quad\hbox{o\`u}\quad 
A=\int_{-1}^1w(x)\,dx>0.
$$
Une nouvelle int\'egration par parties donne
$$
A=[t\,w(t)]_{-1}^1-\int_{-1}^1t\,w'(t)\,dt=
-\int_{-1}^1t\prod_{j=0}^l(t-\tau_j)\,dt.
$$
Le changement de variable $t={u\over n}$, $u\in[-n,n]$, $\tau_{n+j}={j\over n}$,
$-n\le j\le n$, donne maintenant
$$
A=-{1\over n^{2n+3}}\int_{-n}^nu\prod_{j=-n}^{+n}(u-j)=
-{1\over n^{2n+3}}\int_{-n}^nu^2(u^2-1)\ldots
(u^2-n^2)\,du.
$$
En prenant $f(x)=x^k$, $k\le l+2$, on voit gr\^ace \`a $(**)$ 
que l'erreur $E(f)$ est nulle pour
$k\le l+1$ et strictement n\'egative (\'egale \`a $-A$) pour $k=l+1$. La
m\'ethode de Newton-Cotes NC${}_l$ est donc d'ordre $N=l+1$ exactement. On 
sait dans ces conditions que l'erreur s'exprime \`a l'aide du noyau de Peano 
$K_N=K_{l+1}$ par la formule
$$
E(f)=\frac{1}{(l+1)!}\int^1_{-1}K_{l+1}(t)f^{(l+2)}(t)dt.
$$
En prenant $f(x)=x^{l+2}$ il vient $E(f)=-A$ et 
$\int_ {-1}^1K_{l+1}(t)\,dt=-A/(l+2)$.

{\bf(f)} Supposons que le noyau de Peano ne soit pas de signe constant. C'est une
fonction polynomiale par morceaux, donc les points o\`u le signe change 
sont en nombre fini~$m$. Il existe une fonction continue 
$g_\varepsilon\in\cC([-1,1])$ comprise entre $-1$ et $1$ 
telle que 
$$g_\varepsilon(t)=\pm 1~\hbox{ou}~0=\hbox{signe de}~K_{l+1}(t)$$
en dehors d'un intervalle de longueur $\varepsilon/m$ autour de chaque point
o\`u le signe de $K_{l+1}$ change. On en d\'eduit
$$\int_{-1}^1K_{l+1}(t)g_\varepsilon(t)\,dt\ge
\int_{-1}^1|K_{l+1}(t)|\,dt - C\varepsilon\quad\hbox{o\`u}\quad 
C=\sup_{[-1,1]}|K_N|.$$
Choisissons une fonction $f_\varepsilon$ telle que $f_\varepsilon^{(l+2)}=
g_\varepsilon$. Alors l'erreur d'interpolation v\'erifierait d'une part
$E(f_\varepsilon)=\frac{1}{(l+2)!}g_\varepsilon(\eta) A$, $\eta\in[-1,1]$, donc
$|E(f_\varepsilon)|\le \frac{1}{(l+2)!}A$, et d'autre part
$$
E(f_\varepsilon)=\frac{1}{(l+1)!}\int^1_{-1}K_{l+1}(t)g_\varepsilon(t)dt\ge
\frac{1}{(l+1)!}\int_{-1}^1|K_{l+1}(t)|\,dt - \frac{1}{(l+1)!}C\varepsilon.
$$
Cependant, si $K_{l+1}$ change de signe, on a
$$
\int_{-1}^1|K_{l+1}(t)|\,dt>\left|\int_{-1}^1K_{l+1}(t)\,dt\right|=\frac{1}{l+2}A,
$$
ce qui est une contradiction pour $\varepsilon$ assez petit. Par cons\'equent
$K_{l+1}(t)$ est de signe constant et comme son int\'egrale est n\'egative on
en conclut que $K_{l+1}(t)\le 0$ sur $[-1,1]$.

{\bf(g)} Dans le cas o\`u $l=2n+1$ est impair avec un pas $h={2\over 2n+1}$, 
on peut reprendre les calculs pr\'ec\'edents et observer 
que l'on a apr\`es simplification de $(x-\tau_l)$~:
$$
f(x)-p_l(x)=\prod_{j=0}^{l-1}(x-\tau_j)\,\big(
f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1},x]-f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1},\tau_l]
\big).
$$
On prend cette fois $w(x)=\int_{-1}^x\prod_{j=0}^{l-1}(t-\tau_j)\,dt$. L'erreur
d'interpolation est alors donn\'ee par
$$
\eqalign {
E(f)&=\int_{-1}^1\big(f(x)-p_l(x)\big)\,dx\cr
&=\int_{-1}^1w'(x)\big(f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1},x]-
f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1},\tau_l]\big)\,dx.\cr}
$$
Une int\'egration par parties donne
$$
E(f)= -\int_{-1}^1w(x){d\over dx}f[\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1},x]\,dx,
$$
et on en d\'eduit comme dans (f) (avec le point d'interpolation $\tau_l$ en 
moins) qu'il existe $\eta\in[\alpha,\beta]$ tel que
$$
E(f)=-{1\over(l+1)!}\,f^{(l+1)}(\eta)\,A,\qquad A=\int_{-1}^1w(x)\,dx.
$$
Il r\'esulte de la question (f) que $w(x)>0$ sur $]-1,1-h[$~: en effet $\tau_0,\tau_1,\ldots,\tau_{l-1}$ forment une subdivision de pas constant de $[-1,1-h]$ en $2n$ intervalles, et on peut simplement faire un changement de variable affine pour ramener l'intervalle $[-1,1-h]$ \`a $[-1,1]$. On voit ainsi que $w(1-h)=0$, avec une sym\'etrie non \'evidente par rapport au point $-h/2$. Comme l'int\'egrande de $w(x)$ est positif aussi sur l'intervalle restant $]1-h,1]$, on a encore $w(x)>0$ sur $]1-h,1]$. Les arguments de (f) et (g) restent applicables, au remplacement pr\`es de $l$ par $(l-1)$, et on trouve ainsi que
$$
E(f)=-\frac{1}{(l+1)!}\int_{-1}^1w(x)\,f^{(l+1)}(\xi_x)\,dx
$$
pour une certaine fonction $\xi_x\in[-1,1]$. La m\'ethode est donc d'ordre $l$ exactement. Le noyau de Peano est de signe constant, n\'egatif ou nul, et
on a
$$
\int_{-1}^1K_l(t)\,dt=-\frac{1}{l+1}A,\qquad A=\int_{-1}^1w(x)dx>0.
$$
Enfin, une int\'egration par parties fournit
$$
A=[(x-1)w(x)]_{-1}^1-\int_{-1}^1(x-1)w'(x)\,dx=-\int_{-1}^1\prod_{j=0}^l(x-\tau_j)\,dx.
$$
Le changement de variable et d'indice $t=(2u-1)/(2n+1)$, $u\in[-n,n+1]$,
$\tau_{j+n}=(2j-1)/(2n+1)$, $-n\le j\le n+1$, fournit l'expression explicite
$$
\eqalign{
A&=-{2^{2n+3}\over (2n+1)^{2n+3}}\int_{-n}^{n+1}\prod_{j=-n}^{n+1}(u-j)\,du\cr
&={2^{2n+3}\over (2n+1)^{2n+3}}\int_{-n}^{n+1}u(n+1-u)(u^2-1)\ldots(u^2-n^2)\,du
\cr}
$$
(sous cette forme, il n'est pas \'evident que $A>0$~!)
\end

% Local Variables:
% TeX-command-default: "uTeX"
% End:

