Limites & Continuité

Exercice 150 ⭐️⭐️ Fonction possédant un minimum, Sup/L1/Classique

Montrer qu’une fonction f\displaystyle f continue de R\displaystyle \R dans R\displaystyle \R telle que limx±f(x)=+\displaystyle \lim_{x\to \pm \infty}f(x) =+\infty possède un minimum.

Fonction continue sur un segment (un compact) 👉 Bornée et atteint ses bornes !

On peut traduire l’hypothèse limx±f(x)=+\displaystyle \lim_{x\to \pm \infty}f(x) =+\infty par f(x)f(0)\displaystyle f(x)\ge f(0) pour tout x\displaystyle x tel que xA>0\displaystyle |x|\ge A>0. De plus f\displaystyle f est continue sur le segment [A,A]\displaystyle [-A,A], donc bornée et atteint ses bornes. Donc f\displaystyle f atteint un minimum f(x0)f(0)\displaystyle f(x_0)\le f(0) sur [A,A]\displaystyle [-A,A], qui est aussi le minimum sur R\displaystyle \R par définition de A\displaystyle A.

Exercice 151 ⭐️⭐️ Point fixe fonction continue, Terminale/Sup/L1

Soit f:[0,1][0,1]\displaystyle f:[0,1]\rightarrow[0,1] continue. Montrer que f\displaystyle f admet un point fixe, i.e. qu’il existe x[0,1]\displaystyle x\in[0,1] tel que f(x)=x\displaystyle f(x)=x.

  • Fonction continue sur [0,1]\displaystyle [0,1] 👉 Bornée et atteint ses bornes, TVI (Théorème des valeurs intermédiaires) ;
  • Introduire une fonction auxiliaire.

Soit g(x)=xf(x)\displaystyle g(x)=x-f(x). On a g(0)0\displaystyle g(0)\le0 et g(1)0\displaystyle g(1)\ge0. Comme g\displaystyle g est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1], on déduit par le TVI qu’il existe x0[0,1]\displaystyle x_0\in[0,1] tel que g(x0)=0\displaystyle g(x_0)=0, donc x0\displaystyle x_0 vérifie f(x0)=x0\displaystyle f(x_0)=x_0, et x0\displaystyle x_0 est donc un point fixe de f\displaystyle f.

Exercice 152 ⭐️⭐️ TVI, ENS, Sup/L1

Un marcheur parcourt 12\displaystyle 12 km en une heure. Montrer qu’il existe un intervalle d’une demi-heure pendant lequel il parcourt exactement 6\displaystyle 6 km.

Modélisation 👉 Continuité de la distance parcourue 👉 TVI !

Il faut formaliser le problème : notons L(t)\displaystyle L(t) la longueur du chemin que le marcheur a parcouru au temps t\displaystyle t. Il est naturelle de supposer que le marcheur ne fait pas de bond instantané, donc que L\displaystyle L est continue. On a L(0)=0\displaystyle L(0)=0 et L(1)=12\displaystyle L(1)=12. La distance qu’il parcourt en 1/2 h à partir d’un temps t\displaystyle t est d(t)=L(t+1/2)L(t)\displaystyle d(t)=L(t+1/2)-L(t). On a d(1/2)=12L(1/2)\displaystyle d(1/2)=12-L(1/2) et d(0)=L(1/2)\displaystyle d(0)=L(1/2). De deux choses l’une : soit d(0)=L(1/2)<6\displaystyle d(0)=L(1/2)<6 alors d(1/2)=12L(1/2)>6\displaystyle d(1/2)=12-L(1/2)>6. Comme d\displaystyle d est continue, on peut conclure avec le TVI qu’il existe t0]0,1/2[\displaystyle t_0\in]0,1/2[ tel que d(t)=6\displaystyle d(t)=6. Si d(0)=L(1/2)6\displaystyle d(0)=L(1/2)\ge6, on fait le même raisonnement.

Exercice 154 ⭐️⭐️ Équation f(2x)=2f(x)\displaystyle f(2x)=2f(x), Sup/L1

Trouver toutes les fonctions continues sur R\displaystyle \mathbb R et dérivables en 0\displaystyle 0 vérifiant : f(2x)=2f(x)\displaystyle f(2x)=2f(x) pour tout xR\displaystyle x\in\mathbb R.

  • Dérivable en 0\displaystyle 0 👉 Calculer f(0)\displaystyle f(0) et taux d’accroissement en 0\displaystyle 0 ;
  • f(2x)=2f(x)\displaystyle f(2x)=2f(x) 👉 f(x)=2f(x2)=4f(x4)=\displaystyle f(x)=2f(\frac{x}{2})=4f(\frac{x}{4})=\cdots

On procède par analyse-synthèse.
Analyse – Soit un tel f\displaystyle f. Les hypothèses invitent à calculer f(0)\displaystyle f(0) et considérer des taux d’accroissement en 0\displaystyle 0. On f(0)=2f(0)\displaystyle f(0)=2f(0), donc f(0)=0\displaystyle f(0)=0. On remarque que f(x)=2f(x2)\displaystyle f(x)=2f(\frac{x}{2}), et donc en utilisant une récurrence et le fait que f\displaystyle f est dérivable en 0\displaystyle 0, on obtient
f(x)=2nf(x2n)=xf(x2n)f(0)x2n0nf(0)x.f(x)=2^nf(\frac{x}{2^n})=x\frac{f(\frac{x}{2^n})-f(0)}{\frac{x}{2^n}-0}\xrightarrow[n\to \infty]{}f'(0)x.

Ainsi f(x)=f(0)x\displaystyle f(x)=f'(0)x pour tout xR\displaystyle x\in\R.
Synthèse – Toutes les fonctions xax\displaystyle x\mapsto ax, aR\displaystyle a\in\R vérifient bien les hypothèses.
Conclusion – Les seules solutions sont donc les fonctions linéaires xax\displaystyle x\mapsto ax, aR\displaystyle a\in\R.

Exercice 156 ⭐️⭐️⭐️ Théorème de Darboux, X MP 2017, Sup/L1/Classique

Montrer que toute fonction dérivée f\displaystyle f' sur un intervalle I\displaystyle I vérifie le TVI.
On pourra considérer la fonction g(x)=f(x)yx\displaystyle g(x)=f(x)-yx pour y\displaystyle y bien choisi.

Fonction continue sur un segment 👉 Bornée et atteint ses bornes, et la dérivée est nulle en les extremas.

Prenons f\displaystyle f dérivable sur I=[0,1]\displaystyle I=[0,1] par exemple. On veut montrer que f(I)\displaystyle f'(I) est un intervalle. Soit 0a<b1\displaystyle 0\le a<b\le 1. Supposons que f(b)<y<f(a)\displaystyle f'(b)<y<f'(a).
La question est : existe-il c\displaystyle c tel que y=f(c)\displaystyle y=f'(c) ? On pose g(x)=f(x)yx\displaystyle g(x)=f(x)-yx. Comme f\displaystyle f est dérivable, elle est en particulier continue, donc g\displaystyle g est continue. Elle est donc bornée et atteint ses bornes sur le segment [a,b]\displaystyle [a,b]. On a g(x)=f(x)y\displaystyle g'(x)=f'(x)-y, d’où g(a)=f(a)y>0\displaystyle g'(a)=f'(a)-y>0. Si g\displaystyle g atteignait son maximum en a\displaystyle a, on aurait g(x)g(a)xa0\displaystyle \frac{g(x)-g(a)}{x-a}\le 0 pour xa\displaystyle x\ge a, i.e. g(a)0\displaystyle g'(a)\le 0, ce qui n’est pas possible. De même g(b)=f(b)y<0\displaystyle g'(b)=f'(b)-y<0 et donc g\displaystyle g ne peut pas atteindre son maximum en b\displaystyle b. Ainsi g\displaystyle g atteint son maximum en un c]a,b[\displaystyle c\in]a,b[. On a alors g(c)=0\displaystyle g'(c)=0, d’où f(c)=y\displaystyle f'(c)=y, ce qu’on voulait. On adapte la preuve en conséquence si f(a)<f(b)\displaystyle f'(a)<f'(b).

Exercice 224 ⭐️⭐️ DL et limite d’une intégrale, Sup/L1

Étudier la fonction f(t):=etsint1t\displaystyle f(t):=\frac{e^t}{\sin t}-\frac{1}{t}, et en déduire limx0+x2xetsintdt.\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+}\int_x^{2x}\frac{e^t}{\sin t}dt.

  • Mettre au même dénominateur ;
  • DL de exp\displaystyle \exp et sin\displaystyle \sin.

Étudions f\displaystyle f. Elle est bien définie sur I=]0,1]\displaystyle I=]0,1] (par exemple) et continue sur I\displaystyle I. Pour étudier son comportement en 0\displaystyle 0, on utilise les D.L. de exp\displaystyle \exp et sin\displaystyle \sin :
etsint1t=tetsinttsint=t(1+t+o(t))t+o(t2)t2+o(t3)=t2+o(t2)t2+o(t3)01.\begin{aligned} \frac{e^t}{\sin t}-\frac{1}{t} & = \frac{te^t-\sin t}{t\sin t}\\ & = \frac{t(1+t+o(t))-t+o(t^2)}{t^2+o(t^3)} \\ & = \frac{t^2+o(t^2)}{t^2+o(t^3)}\sim_0 1. \end{aligned}

On en déduit que f\displaystyle f est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0, et elle est donc bornée sur I\displaystyle I, disons par M>0\displaystyle M>0. D’où, pour 0<x<1/2\displaystyle 0<x<1/2,
x2xf(t)dtx2xMdt=Mxx00.\begin{aligned} \left|\int_x^{2x}f(t)dt\right| & \le \int_x^{2x}Mdt=Mx\xrightarrow[x\to 0]{}0. \end{aligned}

Or x2xf(t)dt=x2xetsintdtx2xdtt\begin{aligned} \int_x^{2x}f(t)dt & = \int_x^{2x}\frac{e^t}{\sin t}dt-\int_x^{2x}\frac{dt}{t} \end{aligned}

et x2xdtt=ln(2x)ln(x)=ln(2)\displaystyle \int_x^{2x}\frac{dt}{t}=\ln(2x)-\ln(x)=\ln(2), on en déduit que la limite cherchée est ln(2)\displaystyle \ln(2).

Exercice 232 ⭐️⭐️⭐️ Semi-continuité, MP/L2

Soit X\displaystyle X une partie ouverte d’un e.v.n. E\displaystyle E de dimension finie. On dit qu’une fonction f:XR\displaystyle f : X \rightarrow \R est semi-continue inférieurement (s.c.i.) en x0X\displaystyle x_0 \in X si : ε>0,r>0,xB(x0,r),f(x)>f(x0)ε.\forall \varepsilon >0 , \exists r > 0 , \forall x \in B(x_0,r) , f(x) > f(x_0) - \varepsilon. On dit que f\displaystyle f est s.c.i. sur X\displaystyle X si elle l’est en chaque x0X\displaystyle x_0 \in X.

  1. Montrer qu’une fonction continue sur X\displaystyle X est s.c.i. sur X\displaystyle X.
  2. On suppose désormais que X\displaystyle X est un compact de E\displaystyle E. Montrer qu’une fonction f\displaystyle f s.c.i. sur X\displaystyle X est bornée inférieurement. On posera m=infXf\displaystyle m = \inf_X f.
  3. Montrer que la borne inférieure m\displaystyle m est atteinte.
  1. Par l’absurde : considérer une suite (xn)n0\displaystyle (x_n)_{n \ge 0} avec f(xn)<n\displaystyle f(x_n)<-n.
  1. La continuité de f\displaystyle f en x0X\displaystyle x_0 \in X peut s’écrire ε>0,r>0,xB(x0,r),f(x)f(x0)<ε.\forall \varepsilon >0 , \exists r > 0 , \forall x \in B(x_0,r) , |f(x) - f(x_0) | < \varepsilon. On remarque ensuite que si f(x)f(x0)<ε\displaystyle |f(x) - f(x_0) | < \varepsilon alors f(x)>f(x0)ε\displaystyle f(x) > f(x_0)-\varepsilon, et on retrouve la définition de la semi-continuité inférieure en x0\displaystyle x_0.

  2. On considère une suite (xn)n0\displaystyle (x_n)_{n \ge 0} d’éléments de X\displaystyle X tels que f(xn)<n\displaystyle f(x_n)<-n. Comme X\displaystyle X est compact, on peut extraire une sous-suite (xnk)k0\displaystyle (x_{n_k})_{k \ge 0} convergeant vers un certain xX\displaystyle x^* \in X. D’après l’hypothèse de semi-continuité, on a l’existence d’un r>0\displaystyle r>0 tel que xB(x,r),f(x)>f(x)1.\forall x \in B(x^* ,r) , f(x) > f(x^* )-1. Comme on a (xnk)x\displaystyle (x_{n_k}) \rightarrow x^*, pour k\displaystyle k suffisamment grand on aura xnkB(x,r)\displaystyle x_{n_k} \in B(x^* , r) donc nk>f(xnk)>f(x)1.-n_k > f(x_{n_k}) > f(x^* )-1. Comme nk\displaystyle n_k peut être choisi arbitrairement grand, on aboutit à une contradiction.

  3. On considère une suite (xn)n1\displaystyle (x_n)_{n \ge 1} d’éléments de X\displaystyle X tels que f(xn)<m+1/n\displaystyle f(x_n) < m+1/n pour tout n1\displaystyle n \ge 1. De cette suite, on peut extraire une sous-suite (xnk)k1\displaystyle (x_{n_k})_{k \ge 1} convergeant vers une limite xX\displaystyle x^* \in X. Supposons que f(x)>m\displaystyle f(x^*)>m. Soit ε<f(x)m\displaystyle \varepsilon < f(x^*)-m et r>0\displaystyle r>0 tel que xB(x,r), f(x)>f(x)ε2.\forall x \in B(x^* , r) ,\ f(x) > f(x^* )-\frac{\varepsilon}{2}. Comme xnkx\displaystyle x_{n_k} \rightarrow x^* et 1nk0\displaystyle \frac{1}{n_k} \rightarrow 0, il existe un indice k0\displaystyle k \ge 0 suffisamment grand tel que xnkB(x,r)\displaystyle x_{n_k} \in B(x^* ,r) et 1nk<ε2\displaystyle \frac{1}{n_k} < \frac{\varepsilon}{2}. On a alors m>f(xnk)1nk>f(x)ε2ε2>m,m>f(x_{n_k})-\frac{1}{n_k} >f(x^* )-\frac{\varepsilon}{2}-\frac{\varepsilon}{2}>m, ce qui est une contradiction. Ainsi f(x)=m\displaystyle f(x^* )=m, donc f\displaystyle f atteint son minimum sur X\displaystyle X.

Exercice 248 ⭐️⭐️ Uniforme continuité, MP/L2/Classique

Soit f:RR\displaystyle f : \R \rightarrow \R une fonction uniformément continue. Montrer qu’il existe A\displaystyle A et B\displaystyle B tels que xR, f(x)Ax+B.\forall x \in \R, \ |f(x)| \le A |x|+B.

Par définition de l’uniforme continuité, il existe C>0\displaystyle C>0 tel que xyCf(x)f(y)1.|x-y| \le C \Rightarrow |f(x)-f(y)| \le 1. On montre alors par récurrence sur n\displaystyle n et à l’aide de l’inégalité triangulaire que n1 , xynCf(x)f(y)n.\forall n \ge 1 \ , \ |x-y| \le nC \Rightarrow |f(x)-f(y)| \le n.
De plus, la fonction f\displaystyle f est bornée sur [C,C]\displaystyle [-C,C] car continue sur ce segment. On note M=max(f(x):CxC)\displaystyle M = \max(|f(x)| : -C\le x \le C).
Soit maintenant xR\displaystyle x \in \R. On suppose d’abord x>0\displaystyle x>0. Soit n=x/C\displaystyle n = \lfloor x/C \rfloor. Alors f(x)f(x)f(xnC)+f(xnC)n+M.|f(x)| \le |f(x)-f(x-nC)|+|f(x-nC)| \le n +M. Or nx/C\displaystyle n \le x/C, donc f(x)x/C+M\displaystyle |f(x)| \le x/C+M. Si maintenant on a x<0\displaystyle x<0 alors on pose n=x/C\displaystyle n = \lfloor -x/C \rfloor, de telle sorte que x+nC[C,0]\displaystyle x+nC \in [-C,0], et le même raisonnement donne f(x)x/C+M.|f(x)| \le -x/C+M. On a bien montré le résultat voulu avec A=1/C\displaystyle A = 1/C et B=M\displaystyle B=M.

Exercice 281 ⭐️⭐️ Théorème de Dini, Spé/L2

Soit (fn)n1\displaystyle (f_n)_{n \ge 1} une suite de fonctions définies sur [0,1]\displaystyle [0,1], à valeurs réelles, convergeant vers une fonction f:[0,1]R\displaystyle f : [0,1] \rightarrow \R. On suppose que :

  • Chaque fonction fn\displaystyle f_n est croissante.
  • La fonction limite f\displaystyle f est continue.
  1. Montrer que f\displaystyle f est croissante.
  2. Soit ε>0\displaystyle \varepsilon>0. Montrer qu’il existe K1\displaystyle K \ge 1 tel que, en posant xk=kK\displaystyle x_k = \frac{k}{K}, on a k{0,,K} , f(xk+1)f(xk)<ε.\forall k \in \{0,\ldots,K\} \ , \ |f(x_{k+1}) - f(x_k)| < \varepsilon.
  3. Montrer : N1 , nN , k{0,,K1},\displaystyle \exists N \ge 1 \ , \ \forall n \ge N \ , \ \forall k \in \{0,\ldots,K-1\}, fn(xk)f(xk)<ε.|f_n(x_k) - f(x_k)| < \varepsilon.
  4. Montrer que (fn)n1\displaystyle (f_n)_{n \ge 1} converge uniformément vers f\displaystyle f.
  1. Soient 0xy1\displaystyle 0 \le x \le y \le 1. On a fn(x)fn(y)\displaystyle f_n(x) \le f_n(y) pour tout n1\displaystyle n \ge 1, en passant à la limite dans cette inégalité on obtient f(x)f(y)\displaystyle f(x) \le f(y), donc f\displaystyle f est croissante.
  2. La fonction f\displaystyle f est continue sur le segment [0,1]\displaystyle [0,1], par le théorème de Heine, on sait alors qu’elle est uniformément continue. En particulier, il existe α>0\displaystyle \alpha > 0 tel que xyαf(x)f(y)<ε.|x-y| \le \alpha \Rightarrow |f(x)-f(y)|<\varepsilon. En choisissant K>1α\displaystyle K > \frac{1}{\alpha}, on répond alors à la question.
  3. Soit 0kK\displaystyle 0 \le k \le K. La suite fn(xk)\displaystyle f_n(x_k) converge vers f(xk)\displaystyle f(x_k), donc : Nk1 , nNk , fn(xk)f(xk)<ε.\exists N_k \ge 1 \ , \ \forall n \ge N_k \ , \ |f_n(x_k)-f(x_k)| < \varepsilon. Il suffit alors de choisir Nmax(N0,,Nk)\displaystyle N \ge \max(N_0,\ldots,N_k).
  4. Soit x[0,1]\displaystyle x \in [0,1] fixé. Soit 0kK1\displaystyle 0 \le k \le K-1 tel que x[xk,xk+1]\displaystyle x \in [x_k, x_{k+1}]. La croissance des fonctions fn\displaystyle f_n et f\displaystyle f permet d’écrire que f(xk)fn(xk+1)f(x)fn(x)f(xk+1)fn(xk),f(x_k)-f_n(x_{k+1}) \le f(x) - f_n(x) \le f(x_{k+1})-f_n(x_k), donc f(x)fn(x)max(f(xk+1)fn(xk),f(xk)fn(xk+1).|f(x)-f_n(x)| \le \max(|f(x_{k+1})-f_n(x_k)|,|f(x_k)-f_n(x_{k+1})|. Or d’après l’inégalité triangulaire, on a f(xk+1)fn(xk)f(xk+1)f(xk)+f(xk)fn(xk),|f(x_{k+1})-f_n(x_k)| \le |f(x_{k+1})-f(x_k)| + |f(x_k)-f_n(x_k)|, et cette quantité peut être majorée par 2ε\displaystyle 2 \varepsilon si nN\displaystyle n \ge N. De la même façon, on a nN , f(xk)fn(xk+1)2ε.\forall n \ge N \ , \ |f(x_k)-f_n(x_{k+1})| \le 2 \varepsilon. Ainsi il existe N1\displaystyle N \ge 1, ne dépendant pas de x[0,1]\displaystyle x \in [0,1] et tel que fn(x)f(x)2ε\displaystyle |f_n(x)-f(x)| \le 2 \varepsilon, ce qui signifie que (fn)\displaystyle (f_n) converge uniformément vers f\displaystyle f sur [0,1]\displaystyle [0,1].

Exercice 303 ⭐️⭐️⭐️ Equation g(g(x))=2g(x)x\displaystyle g(g(x))=2g(x)-x, L1/Sup

(D’après Gourdon, Analyse)
On cherche les fonctions g:RR\displaystyle g:\R\to\R continues vérifiant : (E)xR,g(g(x))=2g(x)x.(E)\qquad\forall x\in\R, \quad g(g(x))=2g(x)-x.

  1. Vérifier que pour kR\displaystyle k\in\R, la fonction xx+k\displaystyle x\mapsto x+k est solution du problème.
    Dans la suite on suppose que g\displaystyle g est une fonction continue solution de (E)\displaystyle (E).
  2. Montrer que g\displaystyle g est injective, et en déduire que g\displaystyle g est strictement monotone.
  3. Montrer alors que g\displaystyle g est strictement croissante, puis que g\displaystyle g est bijective.
  4. Soit nN\displaystyle n\in\N^*. Calculer gn(x)\displaystyle g^n(x) pour xR\displaystyle x\in\R (gn\displaystyle g^n désigne gg\displaystyle g\circ \dots\circ g), puis en déduire que xR,  gn(x)gn(0)n=g(x)g(0)x+xn\forall x\in\R,~~\frac{g^n(x)-g^n(0)}{n}=g(x)-g(0)-x+\frac xn
  5. Montrer que x0,  g(x)g(0)+x,etx0,  g(x)g(0)+x.\displaystyle \forall x\geq 0,~~g(x)\geq g(0)+x,\quad\text{et}\quad \forall x\leq 0,~~g(x)\leq g(0)+x.
  6. Montrer que x0,  g1(x)g1(0)+x,etx0,  g1(x)g1(0)+x.\displaystyle \forall x\geq 0,~~g^{-1}(x)\geq g^{-1}(0)+x,\quad\text{et}\quad \forall x\leq 0,~~g^{-1}(x)\leq g^{-1}(0)+x.
  7. En déduire que g\displaystyle g est une fonction de la forme xx+k\displaystyle x\mapsto x+k, avec kR\displaystyle k\in\R.
  1. Simple vérification.
  2. Revenir à la définition d’injectivité. Que dire d’une fonction injective continue ?
  3. Pourquoi est-il impossible que g\displaystyle g soit strictement décroissante ?
    Si g\displaystyle g est strictement croissante, quel ingrédient manque t-il pour qu’elle soit une bijection de R\displaystyle \R dans R\displaystyle \R ?
  4. Conjecturer, puis démontrer par récurrence.
  5. Dans l’égalité de 4., on connaît le signe de gn(x)gn(0)\displaystyle g^n(x)-g^n(0). Donc …
  6. Mêmes causes, mêmes conséquences… il suffit de vérifier que g1\displaystyle g^{-1} vérifie les mêmes hypothèses que g\displaystyle g.
  7. Commencer par exprimer g1(0)\displaystyle g^{-1}(0) à l’aide de g(0)\displaystyle g(0).
  1. Soit kR\displaystyle k\in\R et u:xx+k\displaystyle u:x\mapsto x+k.
    Alors xR, u(u(x))=x+2k=2(x+k)x=2u(x)x\displaystyle \forall x\in\R,~u(u(x))=x+2k = 2(x+k)-x=2u(x)-x
  2. Soient x,yR\displaystyle x,y\in\R tels que g(x)=g(y)\displaystyle g(x)=g(y). Alors g(g(x))=g(g(y))g(g(x))=g(g(y)) 2g(x)x=2g(y)y2g(x)-x=2g(y)-y On peut simplifier car g(x)=g(y)\displaystyle g(x)=g(y), ce qui donne x=y\displaystyle x=y. Ainsi g\displaystyle g est injective.
    Pour conclure il nous reste à montrer la propriété suivante (classique) : toute fonction f\displaystyle f injective et continue sur un intervalle I\displaystyle I, à valeurs réelles, est strictement monotone. Pour cela on raisonne par contraposée : on suppose f\displaystyle f continue, et non strictement monotone.
    On peut alors trouver a<b<c\displaystyle a<b<c tels que f(a)f(b)\displaystyle f(a)\leq f(b) et f(c)f(b)\displaystyle f(c)\leq f(b) (ou des inégalités opposées, mais le raisonnement est identique même dans ce cas).
  • Si l’une de ces deux égalités est une égalité alors f\displaystyle f n’est clairement pas injective.
  • Dans le cas contraire, f(a)<f(b)\displaystyle f(a)< f(b) et f(c)<f(b)\displaystyle f(c)< f(b). On prend α]max(f(a),f(c));f(b)[\displaystyle \alpha\in\left]\max(f(a),f(c)); f(b)\right[. Il existe alors, d’après le TVI, des réels x1\displaystyle x_1 et x2\displaystyle x_2, respectivement dans ]a;b[\displaystyle ]a;b[ et ]b;c[\displaystyle ]b;c[, donc distincts, tels que f(x1)=f(x2)=α\displaystyle f(x_1)=f(x_2)=\alpha. Là aussi on en déduit que f\displaystyle f est non injective.
  1. \displaystyle \bullet g\displaystyle g est strictement monotone, et nous allons montrer par l’absurde qu’elle ne peut pas être strictement décroissante.
    Supposons g\displaystyle g strictement décroissante. On a xR, g(x)=12(g(g(x))+x),\forall x\in\R,~g(x)=\frac 12(g(g(x))+x), donc g\displaystyle g est strictement croissante par opérations (gg\displaystyle g\circ g est strictement croissante comme composée de deux fonctions strictement décroissantes , et xx\displaystyle x\mapsto x est strictement croissante). Contradiction.
    \displaystyle \bullet g\displaystyle g est strictement croissante et continue. Elle possède notamment des limites en ±\displaystyle \pm\infty, et pour conclure, en vertu du théorème de la bijection monotone, il suffit de vérifier que ces limites valent \displaystyle -\infty et +\displaystyle +\infty. pour montrer qu’elle est bijective il reste à véiriferdonc possède une limite \displaystyle \ell en +\displaystyle +\infty.
    On raisonne par l’absurde. Supposons que :=limx+g(x)\displaystyle \ell:=\lim_{x\to+\infty}g(x) est finie.
    Alors limx+g(g(x))=limx+(2g(x)x)=\displaystyle \lim_{x\to+\infty}g(g(x))= \lim_{x\to+\infty}\left(2g(x)-x\right)= -\infty par opérations : contradiction avec le fait que gg\displaystyle g\circ g est strictement croissante.
    Conclusion. On a montré que limx+g(x)=+\displaystyle \lim_{x\to+\infty}g(x)=+\infty ; un raisonnement similaire donne limxg(x)=\displaystyle \lim_{x\to-\infty}g(x)=-\infty.
  2. Soit xR\displaystyle x\in\R. On a
    g3(x)=g2(g(x))=2g2(x)g(x)=4g(x)2xg(x)=3g(x)2x.\displaystyle g^3(x)=g^2(g(x))=2g^2(x)-g(x)=4g(x)-2x-g(x)=3g(x)-2x.
    Puis :
    g4(x)=g3(g(x))=3g2(x)2g(x)=6g(x)3xg(x)=4g(x)3x.\displaystyle g^4(x)=g^3(g(x))=3g^2(x)-2g(x)=6g(x)-3x-g(x)=4g(x)-3x.
    On montre par récurrence (rédaction laissée au lecteur), que : nN, xR ,gn(x)=ng(x)(n1)x.\forall n\in\N^*,~\forall x\in\R~, g^n(x)=ng(x)-(n-1)x. Puisque gn(0)=ng(0)\displaystyle g^n(0)=ng(0), cette relation s’écrit aussi gn(x)gn(0)n=g(x)g(0)x+xn\frac{g^n(x)-g^n(0)}{n}=g(x)-g(0)-x+\frac xn
  3. gn\displaystyle g^n est croissante, donc g(x)g(0)x+x/n\displaystyle g(x)-g(0)-x+x/n est du signe de x\displaystyle x.
    En faisant tendre n\displaystyle n\to\infty, on en déduit que g(x)g(0)x\displaystyle g(x)-g(0)-x est du signe de x\displaystyle x, doù les inégalités demandées.
  4. g1\displaystyle g^{-1} est continue et vérifie pour tout xR\displaystyle x\in\R (appliquer l’hypothèse de l’énoncé, au réel (g1)2(x)\displaystyle (g^{-1})^2(x)) : g2((g1)2(x))=2g((g1)2(x))(g1)2(x)g^2((g^{-1})^2(x)) = 2g((g^{-1})^2(x)) - (g^{-1})^2(x) (g1)2(x)=2g1(x)x(g^{-1})^2(x) = 2g^{-1}(x) - x Le résultat de la question 5. s’applique donc à g1\displaystyle g^{-1}.
  5. L’hypothèse sur g\displaystyle g, appliquée au réel g1(x)\displaystyle g^{-1}(x), donne xR, g1(x)=2xg(x)\forall x\in\R,~g^{-1}(x)=2x-g(x) et en particulier g1(0)=g(0)\displaystyle g^{-1}(0)=-g(0). En remplaçant dans le résultat obtenu en (8), on obtient : x0,  2xg(x)g(0)+x\forall x\geq 0,~~2x-g(x)\geq -g(0)+x x0,  g(x)g(0)+x\forall x\geq 0,~~g(x)\leq g(0)+x et de même : x0,  g(x)g(0)+x\forall x\leq 0,~~g(x)\geq g(0)+x Finalement, en combinant ces inégalités avec celles se la question 7., ceci donne : xR, g(x)=g(0)+x\forall x\in\R,~g(x)=g(0)+x

Exercice 330 ⭐️ Fonction continue non nulle, Sup/L1/Classique

Soit f:[0,1]R\displaystyle f:[0,1]\to\R une fonction continue positive et non identiquement nulle.

  1. Montrer qu’il existe [a,b][0,1]\displaystyle [a,b]\subset[0,1], a<b\displaystyle a<b, tel que pour tout x[a,b]\displaystyle x\in[a,b], f(x)>0\displaystyle f(x)>0.
  2. Montrer que 01f(x)dx>0\displaystyle \int_0^1f(x)dx>0.
  • f\displaystyle f positive non identiquement nulle 👉 Prendre x0\displaystyle x_0 tel que f(x0)>0\displaystyle f(x_0)>0 ;
  • f\displaystyle f continue 👉 TVI ou écrire la continuité en x0\displaystyle x_0.
  1. Comme f\displaystyle f est postive non identiquement nulle alors il existe x0\displaystyle x_0 tel que f(x0)>0\displaystyle f(x_0)>0. Écrivons la définition de la continuité de f\displaystyle f en x0\displaystyle x_0 : pour tout ε>0\displaystyle \epsilon>0, il existe η>0\displaystyle \eta>0 tel que si x]x0η,x0+η[[0,1]\displaystyle x\in]x_0-\eta,x_0+\eta[\subset[0,1] alors f(x)]f(x0)ε,f(x0)+ε[.f(x)\in ]f(x_0)-\epsilon,f(x_0)+\epsilon[. Dans ton cours, c’est probablement écrit : xx0<ηf(x)f(x0)<ε\displaystyle |x-x_0|<\eta \Rightarrow |f(x)-f(x_0)|<\epsilon. On a juste traduit ces inégalités avec des intervalles.
    Choisissons ε=f(x0)2\displaystyle \epsilon=\frac{f(x_0)}{2} et considérons le η=η(ε)\displaystyle \eta=\eta(\epsilon) correspondant dans la définition.
    Alors pour tout x]x0η,x0+η[\displaystyle x\in]x_0-\eta,x_0+\eta[, f(x)>f(x0)f(x0)2=f(x0)2>0.f(x)>f(x_0)-\frac{f(x_0)}{2}=\frac{f(x_0)}{2}>0. Il suffit de choisir un intervalle [a,b]]x0η,x0+η[\displaystyle [a,b]\subset ]x_0-\eta,x_0+\eta[ pour répondre à la question.

  2. Considérons le x0\displaystyle x_0, ε\displaystyle \epsilon et η\displaystyle \eta de la question précédente. Comme f\displaystyle f est positive sur [0,1]\displaystyle [0,1], il vient : 01f(x)dxx0ηx0+ηf(x)dxx0ηx0+ηf(x0)2dx2ηf(x0)2>0.\begin{aligned} \int_0^1f(x)dx&\ge \int_{x_0-\eta}^{x_0+\eta}f(x)dx\ge\int_{x_0-\eta}^{x_0+\eta}\frac{f(x_0)}{2}dx \\ &\ge 2\eta \frac{f(x_0)}{2}>0. \end{aligned}

Exercice 482 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Conservation de la mesure, ENS, Spé/L3

Soit E=C0([0,1],[0,1])\displaystyle E=\mathcal{C}^0([0,1],[0,1]). On dit qu’une fonction uE\displaystyle u \in E conserve la mesure si :

φE , [0,1](φu)(t)dt=[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E}\ , \ \int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt.

  1. Montrer que si uE\displaystyle u\in{E} conserve la mesure alors u([0,1])=[0,1]\displaystyle u([0,1])=[0,1]. Donner un exemple d’un tel u\displaystyle u.
  2. Soit uE\displaystyle u\in{E} une fonction de classe C1\displaystyle \cal{C}^1 par morceaux qui conserve la mesure, telle que sur chaque morceau u\displaystyle u' soit de signe constant et ne s’y annule pas. Montrer que : y[0,1],xu(x)=y1u(x)=1\forall{y}\in{[0,1]}, \sum_{x|u(x)=y} \frac{1}{|u'(x)|}=1
  3. Soit F:R+R+\displaystyle F : \mathbb{R}^+\rightarrow \mathbb{R}^+ continue, croissante et convexe. On pose n(y)=Card(xu(x)=y)\displaystyle n(y)={\rm Card}(x|u(x)=y). Montrer que : [0,1](Fu)(t)dt[0,1](Fn)(t)dt.\int_{[0,1]}(F\circ |u'|)(t)dt\geq\int_{[0,1]}(F\circ n)(t)dt.

(Amicalement transmis et rédigé par Killian Le Milbeau 🙏, CPGE Chateaubriand)

  1. Soit uE\displaystyle u\in{E}. Alors u est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Or l’image d’une fonction continue par un segment est un segment. Donc, u([0,1])=[a,b]\displaystyle u([0,1])=[a,b]0ab1\displaystyle 0\leq{a}\leq{b}\leq{1}.
    Raisonnons par l’absurde. Supposons que a>0\displaystyle a>0 ou b<1\displaystyle b<1. On sait que u\displaystyle u conserve la mesure, donc
    φE,[0,1](φu)(t)dt=[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E},\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt.
    Prenon une telle fonction φ\displaystyle \varphi, que l’on définit comme nulle sur [a,b]\displaystyle [a,b] et strictement positive sur [0,a[]b,1]\displaystyle [0,a[\cup]b,1]. Alors :
    (φu)([0,1])=φ([a,b])={0}.(\varphi\circ u)([0,1])=\varphi([a,b])=\{0\}. D’où
    [0,1](φu)(t)dt=0[0,1]φ(t)dt.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=0 \neq \int_{[0,1]}\varphi(t)dt. car [0,1]φ(t)dt=[0,a[φ(t)dt+]b,1]φ(t)dt>0.\int_{[0,1]}\varphi(t)dt=\int_{[0,a[}\varphi(t)dt+\int_{]b,1]}\varphi(t)dt>0. Cela contredit le fait que u\displaystyle u conserve la mesure. Ainsi a=0\displaystyle a=0 et b=1\displaystyle b=1.
    Et donc, u([0,1])=[0,1]\displaystyle u([0,1])=[0,1]. Autrement dit, u\displaystyle u est surjective.

  2. Soit uE\displaystyle u\in{E} une telle fonction. Comme u\displaystyle u conserve la mesure :
    φE,[0,1](φu)(t)dt=[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E},\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt. Cette égalité est en particulier vraie pour une fonction φE\displaystyle \varphi\in{E} à support compact et telle que [0,1]φ(t)dt=1\displaystyle \int_{[0,1]}\varphi(t)dt=1. Prenons donc une telle fonction φ\displaystyle \varphi.
    [0,1](φu)(t)dt=1.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=1.
    Traitons maintenant cette dernière intégrale, notre but étant de faire apparaitre la somme demandée. La fonction u\displaystyle u est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1] et C1\displaystyle \cal{C}^1 par morceaux.
    Donc, on peut diviser le segment [0,1]\displaystyle [0,1] en segments [ai,ai+1]\displaystyle [a_i,a_{i+1}], sur lesquels u\displaystyle u' est continue, de signe constant et ne s’annule pas.
    Ainsi, par le relation de Chasles :
    [0,1](φu)(t)dt=i[ai,ai+1](φu)(t)dt=1.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\sum_{i}\int_{[a_i,a_{i+1}]}(\varphi\circ u)(t)dt=1.

Pour tout 0in1\displaystyle 0 \le i \le n-1, la fonction u\displaystyle u établit une bijection (croissante ou décroissante) entre l’intervalle ]ai,ai+1[\displaystyle ]a_i, a_{i+1}[ et un autre intervalle noté ]bi,bi+1[\displaystyle ]b_i,b_{i+1}[. De plus, d’après la première question, chaque x[0,1]\displaystyle x \in [0,1] appartient au moins à un intervalle ]bi,bi+1[\displaystyle ]b_i,b_{i+1}[.

On va à présent s’occuper de l’intégrale. Sur chaque intervalle ]ai,ai+1[\displaystyle ]a_i,a_{i+1}[ on effectue une changement de variable en x=u(t)\displaystyle x=u(t). Ce qui nous donne dx=u(t)dt\displaystyle dx=u'(t) dt et de nouvelles bornes bi\displaystyle b_i et bi+1\displaystyle b_{i+1}. Ainsi :
aiai+1(φu)(t)dt=bibi+1φ(x)(uu1)(x)dx=01φ(x)(uu1)(x)1x]bi,bi+1[dx. \begin{aligned} \int_{a_i}^{a_{i+1}}(\varphi\circ u)(t)dt&=\int_{b_i}^{b_{i+1}} \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|}dx \\ &= \int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u'\circ u^{-1})(x)|} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} dx. \end{aligned}

Par la relation de Chasles :
01(φu)(t)dt=i=0n1aiai+1(φu)(t)dt=i=0n101φ(x)(uu1)(x)1x]bi,bi+1[dx=01φ(x)(uu1)(x)(i=0n11x]bi,bi+1[)dx.\begin{aligned} \int_0^1 (\varphi \circ u)(t) dt &= \sum_{i=0}^{n-1} \int_{a_i}^{a_{i+1}} (\varphi \circ u)(t) dt\\ &= \sum_{i=0}^{n-1}\int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} dx\\ &= \int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} \left( \sum_{i=0}^{n-1} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} \right) dx. \end{aligned}

On note N(x)=1(uu1)(x)(i=0n11x]bi,bi+1[).N(x) = \frac{1}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} \left( \sum_{i=0}^{n-1} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} \right). On a N(u(y))=1u(y)Card{0in1:u(y)]bi,bi+1[}=1u(y)Card{x[0,1]:u(y)=x}.\begin{aligned} N(u(y)) &= \frac{1}{|u'(y)|} {\rm Card}\left\{0 \le i \le n-1 : u(y) \in ]b_i,b_{i+1}[\right\}\\ &= \frac{1}{|u'(y)|} {\rm Card}\left\{x \in [0,1]: u(y) = x\right\} .\end{aligned}
Pour la dernière égalité on a utilisé le fait que u\displaystyle u est surjective sur chacun des intervalles ]ai,ai+1[.\displaystyle ]a_i,a_{i+1}[.

Pour répondre à la question (et sachant que u\displaystyle u est surjective de [0,1]\displaystyle [0,1] dans [0,1]\displaystyle [0,1]), il suffit donc de montrer que la fonction N\displaystyle N est identiquement égale à 1\displaystyle 1. Or on sait que :
φE , 01φ(t)dt=01φ(x)N(x)dx.\forall \varphi \in E \ , \ \int_0^1 \varphi(t) dt = \int_0^1 \varphi(x) N(x) dx.

On peut se “convaincre” (sûrement une preuve rigoureuse serait délicate) que la fonction N\displaystyle N est continue par morceaux sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Pour montrer que N=1\displaystyle N = 1, il suffit alors de montrer que 01(N(x)1)2dx=0\displaystyle \int_0^1 (N(x)-1)^2 dx = 0. En développant le carré, on voit qu’il suffit de montrer que 01N(x)2dx201N(x)dx+1=0.\int_0^1 N(x)^2 dx - 2 \int_0^1 N(x) dx +1 = 0. En choisissant ϕ(x)=1N(x)\displaystyle \phi(x) = 1-N(x), on obtient le résultat voulu !

La fonction φ\displaystyle \varphi n’est pas forcément continue me direz-vous… J’ai trop faim pour rédiger les détails…

  1. ça sent Jensen. On va y réfléchir.

Exercice 486 ⭐️⭐️ Continuité et rationnalité, Sup/L1

Soit f\displaystyle f la fonction définie sur R\displaystyle \R par f(x)={12si xQxsinon.\displaystyle \displaystyle f(x) =\begin{cases}\frac{1}{2}&\text{si }x\in\Q \\x&\text{sinon}. \end{cases}

  1. Soit xR\displaystyle x\in\R. Déterminer limn+10nx10n\displaystyle \lim_{n \to +\infty}\frac{\lfloor10^n x\rfloor}{10^n}.
  2. Montrer que si f\displaystyle f est continue en a R\displaystyle \in\R, alors a\displaystyle a Q\displaystyle \in\Q.
  3. Montrer que si f\displaystyle f est continue en a Q\displaystyle \in\Q, alors a\displaystyle a = 12\displaystyle \frac{1}{2}.
  4. Conclure.
  1. Partie entière 👉 Encadrement !
  2. Comment traduire la continuité de f\displaystyle f en a\displaystyle a tout en profitant des propriétés de f\displaystyle f ?
  3. Idem ;
  4. Que vient-on de montrer ?

(Amicalement transmis et rédigé par Thomas B., CPGE au Collège Stanislas 🙏)

  1. Soit xR\displaystyle x\in\R. Pour tout nN\displaystyle n\in\N, 10nx1<10nx10nx\displaystyle 10^nx-1\lt \lfloor{10^n x\rfloor}\le10^nx.
    Donc 10nx110n<10nx10n10nx10n\frac{10^nx-1}{10^n} \lt \frac{\lfloor10^n x\rfloor}{10^n} \le \frac{10^n x}{10^n} et alors  x110n<10nx10nx\displaystyle \ x-\frac{1}{10^n} \lt \frac{\lfloor10^n x\rfloor}{10^n}\le x.

    Par le théorème d’encadrement, on a finalement limn+10nx10n=x\displaystyle \lim_{n \to +\infty}\frac{\lfloor10^n x\rfloor}{10^n} =x.

  2. Soit aR\displaystyle a \in\R. Supposons f\displaystyle f continue en a\displaystyle a, i.e. pour toute suite (un)nNR\displaystyle (u_n)_{n\in\N}\in\R convergeant vers a\displaystyle a, (f(un))nN\displaystyle \left( f(u_n)\right)_{n\in\N} converge vers f(a)\displaystyle f(a).

    Comme cette propriété est vraie pour toute suite réelle et que les propriétés de f\displaystyle f dépendent de la rationalité, pourquoi ne pas tenter avec des suites rationnelles ?

    Ainsi, soit (un)nN\displaystyle \displaystyle(u_n)_{n\in\N} une suite rationnelle convergeant vers a\displaystyle a , par exemple la suite définie sur N\displaystyle \N par un=10na10n\displaystyle u_n=\frac{\lfloor10^n a\rfloor}{10^n}. Comme f\displaystyle f est continue en a\displaystyle a, f(un)n+f(a)\displaystyle f(u_n)\xrightarrow{n\to+\infty} f(a). Or pour tout nN\displaystyle n\in\N, f(un)=12\displaystyle f(u_n)=\frac{1}{2} car un\displaystyle u_n est rationnel.

    On a donc f(un)n+f(a)\displaystyle f(u_n)\xrightarrow[n\to+\infty]{} f(a), mais aussi f(un)n+12\displaystyle f(u_n)\xrightarrow[n\to+\infty]{} \frac{1}{2}. Par unicité de la limite, on en déduit que f(a)=12\displaystyle f(a) =\frac{1}{2}, i.e. af1({12})\displaystyle a\in f^{-1}\left(\left\{\frac{1}{2}\right\}\right).
    Or f1({12})=Q\displaystyle f^{-1}\left(\left\{\frac{1}{2}\right\}\right) = \Q, d’où aQ\displaystyle a\in\Q.

  3. Soit aQ\displaystyle a\in\Q tel que f\displaystyle f soit continue en a\displaystyle a.

    Dans le 2. on a extrait de précieuses informations sur a\displaystyle a grâce à une suite rationnelle. Il est temps de voir ce que donne une suite irrationnelle.

    Ainsi, soit (un)nN\displaystyle \displaystyle(u_n)_{n\in\N} suite irrationnelle convergeant vers a\displaystyle a (existence assurée par densité de RQ\displaystyle \R - \Q dans R\displaystyle \R). Comme f\displaystyle f est continue en a\displaystyle a, f(un)n+f(a)\displaystyle f(u_n)\xrightarrow[n\to+\infty]{} f(a). Or pour tout nN\displaystyle n\in\N, f(un)=un\displaystyle f(u_n)=u_n car un\displaystyle u_n est irrationnel.

    On a donc unn+f(a)\displaystyle u_n\xrightarrow[n\to+\infty]{} f(a), mais aussi unn+a\displaystyle u_n\xrightarrow[n\to+\infty]{} a. Par unicité de la limite, on en déduit que a=f(a)\displaystyle a=f(a). Comme aQ\displaystyle a\in\Q, f(a)=12\displaystyle f(a)=\frac{1}{2}.
    D’où a=12.\displaystyle a=\frac{1}{2}.

  4. On vient donc de montrer que si f\displaystyle f devait être continue en un point, ce serait uniquement pour x=12\displaystyle x=\frac{1}{2} (Analyse). Vérifions que f\displaystyle f est bien continue en ce point (Synthèse).

    Soit ε>0.\displaystyle \epsilon \gt0. Montrons qu’il existe un η\displaystyle \eta tel que pour tout xR\displaystyle x\in\R,
    x12<η    f(x)12<ε\displaystyle |x-\frac{1}{2}|\lt\eta \implies|f(x)-\frac{1}{2}|\lt\epsilon .

    On sait que f(x)=x\displaystyle f(x)=x ou f(x)=12\displaystyle f(x)=\frac{1}{2} en fonction de la rationnalité de x\displaystyle x. Si f(x)=12\displaystyle f(x) =\frac{1}{2}, n’importe quel η\displaystyle \eta convient. Si f(x)=x\displaystyle f(x) = x, η=ε\displaystyle \eta = \epsilon convient.

    Ainsi, en choisissant η=ε\displaystyle \eta = \epsilon, on a bien la continuité en 12\displaystyle \frac{1}{2} de f\displaystyle f.

    La fonction f\displaystyle f est donc continue en 12\displaystyle \frac{1}{2} et uniquement en ce point-là.

Exercice 506 ⭐️⭐️ Convergence vers la "norme 0\displaystyle 0", Sup/L1

Soit des ak>0\displaystyle a_k>0. On pose S(x)=1kj=1kajx\displaystyle S(x)=\frac1k\sum_{j=1}^ka_j^x pour x0\displaystyle x\ge0. Déterminer si elle existe limx0S(x)1/x\displaystyle \lim_{x\to 0}S(x)^{1/x}.

  • S(x)1/x\displaystyle S(x)^{1/x} 👉 Ecriture e1xln(S(x))\displaystyle e^{\frac1x\ln(S(x))} ;
  • 1/x\displaystyle 1/x et x0\displaystyle x\to0 👉 Taux d’accroissement !

Suivant nos réflexes, essayons de faire apparaître un taux d’accroissement ! On a S(0)=1\displaystyle S(0)=1, donc lnS(0)=0\displaystyle \ln S(0)=0. On pose f(x)=ln(S(x))\displaystyle f(x)=\ln(S(x)), d’où, pour x>0\displaystyle x>0, 1xln(S(x))=f(x)f(0)x.\frac1x\ln(S(x))=\frac{f(x)-f(0)}{x}. Donc si cette dernière quantité converge, c’est vers f(0)\displaystyle f'(0). Or f\displaystyle f est bien dérivable et même C1\displaystyle C^1 sur [0,[\displaystyle [0,\infty[ et f(x)=S(x)S(x)\displaystyle f'(x)=\frac{S'(x)}{S(x)}. D’où f(0)=S(0)\displaystyle f'(0)=S'(0). En écrivant ajx=exln(aj)\displaystyle a_j^x=e^{x\ln(a_j)}, on en déduit que S(x)=1kj=1kln(aj)ajx\displaystyle S'(x)=\frac1k\sum_{j=1}^k \ln(a_j)a_j^x. Ainsi S(0)=1kj=1kln(aj)=ln(j=1kaj1/k),S'(0)=\frac1k\sum_{j=1}^k \ln(a_j)=\ln\left(\prod_{j=1}^ka_j^{1/k}\right), d’où, comme la fonction exponentielle est continue : S(x)1/x=e1xln(S(x))x0eS(0)=j=1kaj1/k.S(x)^{1/x}=e^{\frac1x\ln(S(x))}\xrightarrow[ x\to 0]{} e^{S'(0)}=\prod_{j=1}^ka_j^{1/k}.