Exercice 150 ⭐️⭐️ Fonction possédant un minimum, Sup/L1/Classique
Montrer qu’une fonction f continue de R dans R telle que x→±∞limf(x)=+∞ possède un minimum.
Réflexes
Fonction continue sur un segment (un compact) 👉 Bornée et atteint ses bornes !
Corrigé
On peut traduire l’hypothèse x→±∞limf(x)=+∞ par f(x)≥f(0) pour tout x tel que ∣x∣≥A>0. De plus f est continue sur le segment [−A,A], donc bornée et atteint ses bornes. Donc f atteint un minimum f(x0)≤f(0) sur [−A,A], qui est aussi le minimum sur R par définition de A.
Exercice 151 ⭐️⭐️ Point fixe fonction continue, Terminale/Sup/L1
Soit f:[0,1]→[0,1] continue. Montrer que f admet un point fixe, i.e. qu’il existe x∈[0,1] tel que f(x)=x.
Réflexes
Fonction continue sur [0,1] 👉 Bornée et atteint ses bornes, TVI (Théorème des valeurs intermédiaires) ;
Introduire une fonction auxiliaire.
Corrigé
Soit g(x)=x−f(x). On a g(0)≤0 et g(1)≥0. Comme g est continue sur [0,1], on déduit par le TVI qu’il existe x0∈[0,1] tel que g(x0)=0, donc x0 vérifie f(x0)=x0, et x0 est donc un point fixe de f.
Exercice 152 ⭐️⭐️ TVI, ENS, Sup/L1
Un marcheur parcourt 12 km en une heure. Montrer qu’il existe un intervalle d’une demi-heure pendant lequel il parcourt exactement 6 km.
Réflexes
Modélisation 👉 Continuité de la distance parcourue 👉 TVI !
Corrigé
Il faut formaliser le problème : notons L(t) la longueur du chemin que le marcheur a parcouru au temps t. Il est naturelle de supposer que le marcheur ne fait pas de bond instantané, donc que L est continue. On a L(0)=0 et L(1)=12. La distance qu’il parcourt en 1/2 h à partir d’un temps t est d(t)=L(t+1/2)−L(t). On a d(1/2)=12−L(1/2) et d(0)=L(1/2). De deux choses l’une : soit d(0)=L(1/2)<6 alors d(1/2)=12−L(1/2)>6. Comme d est continue, on peut conclure avec le TVI qu’il existe t0∈]0,1/2[ tel que d(t)=6. Si d(0)=L(1/2)≥6, on fait le même raisonnement.
Exercice 154 ⭐️⭐️ Équation f(2x)=2f(x), Sup/L1
Trouver toutes les fonctions continues sur R et dérivables en 0 vérifiant : f(2x)=2f(x) pour tout x∈R.
Réflexes
Dérivable en 0 👉 Calculer f(0) et taux d’accroissement en 0 ;
f(2x)=2f(x) 👉 f(x)=2f(2x)=4f(4x)=⋯
Corrigé
On procède par analyse-synthèse. Analyse – Soit un tel f. Les hypothèses invitent à calculer f(0) et considérer des taux d’accroissement en 0. On f(0)=2f(0), donc f(0)=0. On remarque que f(x)=2f(2x), et donc en utilisant une récurrence et le fait que f est dérivable en 0, on obtient f(x)=2nf(2nx)=x2nx−0f(2nx)−f(0)n→∞f′(0)x.
Ainsi f(x)=f′(0)x pour tout x∈R. Synthèse – Toutes les fonctions x↦ax, a∈R vérifient bien les hypothèses. Conclusion – Les seules solutions sont donc les fonctions linéaires x↦ax, a∈R.
Exercice 156 ⭐️⭐️⭐️ Théorème de Darboux, X MP 2017, Sup/L1/Classique
Montrer que toute fonction dérivée f′ sur un intervalle I vérifie le TVI.
On pourra considérer la fonction g(x)=f(x)−yx pour y bien choisi.
Réflexes
Fonction continue sur un segment 👉 Bornée et atteint ses bornes, et la dérivée est nulle en les extremas.
Corrigé
Prenons f dérivable sur I=[0,1] par exemple. On veut montrer que f′(I) est un intervalle. Soit 0≤a<b≤1. Supposons que f′(b)<y<f′(a).
La question est : existe-il c tel que y=f′(c) ? On pose g(x)=f(x)−yx. Comme f est dérivable, elle est en particulier continue, donc g est continue. Elle est donc bornée et atteint ses bornes sur le segment [a,b]. On a g′(x)=f′(x)−y, d’où g′(a)=f′(a)−y>0. Si g atteignait son maximum en a, on aurait x−ag(x)−g(a)≤0 pour x≥a, i.e. g′(a)≤0, ce qui n’est pas possible. De même g′(b)=f′(b)−y<0 et donc g ne peut pas atteindre son maximum en b. Ainsi g atteint son maximum en un c∈]a,b[. On a alors g′(c)=0, d’où f′(c)=y, ce qu’on voulait. On adapte la preuve en conséquence si f′(a)<f′(b).
Exercice 224 ⭐️⭐️ DL et limite d’une intégrale, Sup/L1
Étudier la fonction f(t):=sintet−t1, et en déduire x→0+lim∫x2xsintetdt.
Réflexes
Mettre au même dénominateur ;
DL de exp et sin.
Corrigé
Étudions f. Elle est bien définie sur I=]0,1] (par exemple) et continue sur I. Pour étudier son comportement en 0, on utilise les D.L. de exp et sin : sintet−t1=tsinttet−sint=t2+o(t3)t(1+t+o(t))−t+o(t2)=t2+o(t3)t2+o(t2)∼01.
On en déduit que f est prolongeable par continuité en 0, et elle est donc bornée sur I, disons par M>0. D’où, pour 0<x<1/2, ∣∣∣∣∣∫x2xf(t)dt∣∣∣∣∣≤∫x2xMdt=Mxx→00.
Or ∫x2xf(t)dt=∫x2xsintetdt−∫x2xtdt
et ∫x2xtdt=ln(2x)−ln(x)=ln(2), on en déduit que la limite cherchée est ln(2).
Exercice 232 ⭐️⭐️⭐️ Semi-continuité, MP/L2
Soit X une partie ouverte d’un e.v.n. E de dimension finie. On dit qu’une fonction f:X→R est semi-continue inférieurement (s.c.i.) en x0∈X si : ∀ε>0,∃r>0,∀x∈B(x0,r),f(x)>f(x0)−ε. On dit que f est s.c.i. sur X si elle l’est en chaque x0∈X.
Montrer qu’une fonction continue sur X est s.c.i. sur X.
On suppose désormais que X est un compact de E. Montrer qu’une fonction f s.c.i. sur X est bornée inférieurement. On posera m=Xinff.
Montrer que la borne inférieure m est atteinte.
Indication
Par l’absurde : considérer une suite (xn)n≥0 avec f(xn)<−n.
Corrigé
La continuité de f en x0∈X peut s’écrire ∀ε>0,∃r>0,∀x∈B(x0,r),∣f(x)−f(x0)∣<ε. On remarque ensuite que si ∣f(x)−f(x0)∣<ε alors f(x)>f(x0)−ε, et on retrouve la définition de la semi-continuité inférieure en x0.
On considère une suite (xn)n≥0 d’éléments de X tels que f(xn)<−n. Comme X est compact, on peut extraire une sous-suite (xnk)k≥0 convergeant vers un certain x∗∈X. D’après l’hypothèse de semi-continuité, on a l’existence d’un r>0 tel que ∀x∈B(x∗,r),f(x)>f(x∗)−1. Comme on a (xnk)→x∗, pour k suffisamment grand on aura xnk∈B(x∗,r) donc −nk>f(xnk)>f(x∗)−1. Comme nk peut être choisi arbitrairement grand, on aboutit à une contradiction.
On considère une suite (xn)n≥1 d’éléments de X tels que f(xn)<m+1/n pour tout n≥1. De cette suite, on peut extraire une sous-suite (xnk)k≥1 convergeant vers une limite x∗∈X. Supposons que f(x∗)>m. Soit ε<f(x∗)−m et r>0 tel que ∀x∈B(x∗,r),f(x)>f(x∗)−2ε. Comme xnk→x∗ et nk1→0, il existe un indice k≥0 suffisamment grand tel que xnk∈B(x∗,r) et nk1<2ε. On a alors m>f(xnk)−nk1>f(x∗)−2ε−2ε>m, ce qui est une contradiction. Ainsi f(x∗)=m, donc f atteint son minimum sur X.
Soit f:R→R une fonction uniformément continue. Montrer qu’il existe A et B tels que ∀x∈R,∣f(x)∣≤A∣x∣+B.
Corrigé
Par définition de l’uniforme continuité, il existe C>0 tel que ∣x−y∣≤C⇒∣f(x)−f(y)∣≤1. On montre alors par récurrence sur n et à l’aide de l’inégalité triangulaire que ∀n≥1,∣x−y∣≤nC⇒∣f(x)−f(y)∣≤n.
De plus, la fonction f est bornée sur [−C,C] car continue sur ce segment. On note M=max(∣f(x)∣:−C≤x≤C).
Soit maintenant x∈R. On suppose d’abord x>0. Soit n=⌊x/C⌋. Alors ∣f(x)∣≤∣f(x)−f(x−nC)∣+∣f(x−nC)∣≤n+M. Or n≤x/C, donc ∣f(x)∣≤x/C+M. Si maintenant on a x<0 alors on pose n=⌊−x/C⌋, de telle sorte que x+nC∈[−C,0], et le même raisonnement donne ∣f(x)∣≤−x/C+M. On a bien montré le résultat voulu avec A=1/C et B=M.
Exercice 281 ⭐️⭐️ Théorème de Dini, Spé/L2
Soit (fn)n≥1 une suite de fonctions définies sur [0,1], à valeurs réelles, convergeant vers une fonction f:[0,1]→R. On suppose que :
Chaque fonction fn est croissante.
La fonction limite f est continue.
Montrer que f est croissante.
Soit ε>0. Montrer qu’il existe K≥1 tel que, en posant xk=Kk, on a ∀k∈{0,…,K},∣f(xk+1)−f(xk)∣<ε.
Montrer que (fn)n≥1 converge uniformément vers f.
Réflexes
Corrigé
Soient 0≤x≤y≤1. On a fn(x)≤fn(y) pour tout n≥1, en passant à la limite dans cette inégalité on obtient f(x)≤f(y), donc f est croissante.
La fonction f est continue sur le segment [0,1], par le théorème de Heine, on sait alors qu’elle est uniformément continue. En particulier, il existe α>0 tel que ∣x−y∣≤α⇒∣f(x)−f(y)∣<ε. En choisissant K>α1, on répond alors à la question.
Soit 0≤k≤K. La suite fn(xk) converge vers f(xk), donc : ∃Nk≥1,∀n≥Nk,∣fn(xk)−f(xk)∣<ε. Il suffit alors de choisir N≥max(N0,…,Nk).
Soit x∈[0,1] fixé. Soit 0≤k≤K−1 tel que x∈[xk,xk+1]. La croissance des fonctions fn et f permet d’écrire que f(xk)−fn(xk+1)≤f(x)−fn(x)≤f(xk+1)−fn(xk), donc ∣f(x)−fn(x)∣≤max(∣f(xk+1)−fn(xk)∣,∣f(xk)−fn(xk+1)∣. Or d’après l’inégalité triangulaire, on a ∣f(xk+1)−fn(xk)∣≤∣f(xk+1)−f(xk)∣+∣f(xk)−fn(xk)∣, et cette quantité peut être majorée par 2ε si n≥N. De la même façon, on a ∀n≥N,∣f(xk)−fn(xk+1)∣≤2ε. Ainsi il existe N≥1, ne dépendant pas de x∈[0,1] et tel que ∣fn(x)−f(x)∣≤2ε, ce qui signifie que (fn) converge uniformément vers f sur [0,1].
(D’après Gourdon, Analyse)
On cherche les fonctions g:R→R continues vérifiant : (E)∀x∈R,g(g(x))=2g(x)−x.
Vérifier que pour k∈R, la fonction x↦x+k est solution du problème. Dans la suite on suppose que g est une fonction continue solution de(E).
Montrer que g est injective, et en déduire que g est strictement monotone.
Montrer alors que g est strictement croissante, puis que g est bijective.
Soit n∈N∗. Calculer gn(x) pour x∈R (gn désigne g∘⋯∘g), puis en déduire que ∀x∈R,ngn(x)−gn(0)=g(x)−g(0)−x+nx
Montrer que ∀x≥0,g(x)≥g(0)+x,et∀x≤0,g(x)≤g(0)+x.
Montrer que ∀x≥0,g−1(x)≥g−1(0)+x,et∀x≤0,g−1(x)≤g−1(0)+x.
En déduire que g est une fonction de la forme x↦x+k, avec k∈R.
Réflexes
Simple vérification.
Revenir à la définition d’injectivité. Que dire d’une fonction injective continue ?
Pourquoi est-il impossible que g soit strictement décroissante ?
Si g est strictement croissante, quel ingrédient manque t-il pour qu’elle soit une bijection de R dans R ?
Conjecturer, puis démontrer par récurrence.
Dans l’égalité de 4., on connaît le signe de gn(x)−gn(0). Donc …
Mêmes causes, mêmes conséquences… il suffit de vérifier que g−1 vérifie les mêmes hypothèses que g.
Commencer par exprimer g−1(0) à l’aide de g(0).
Corrigé
Soit k∈R et u:x↦x+k.
Alors ∀x∈R,u(u(x))=x+2k=2(x+k)−x=2u(x)−x
Soient x,y∈R tels que g(x)=g(y). Alors g(g(x))=g(g(y))2g(x)−x=2g(y)−y On peut simplifier car g(x)=g(y), ce qui donne x=y. Ainsi g est injective.
Pour conclure il nous reste à montrer la propriété suivante (classique) : toute fonction f injective et continue sur un intervalle I, à valeurs réelles, est strictement monotone. Pour cela on raisonne par contraposée : on suppose f continue, et non strictement monotone.
On peut alors trouver a<b<c tels que f(a)≤f(b) et f(c)≤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 n’est clairement pas injective.
Dans le cas contraire, f(a)<f(b) et f(c)<f(b). On prend α∈]max(f(a),f(c));f(b)[. Il existe alors, d’après le TVI, des réels x1 et x2, respectivement dans ]a;b[ et ]b;c[, donc distincts, tels que f(x1)=f(x2)=α. Là aussi on en déduit que f est non injective.
∙g est strictement monotone, et nous allons montrer par l’absurde qu’elle ne peut pas être strictement décroissante.
Supposons g strictement décroissante. On a ∀x∈R,g(x)=21(g(g(x))+x), donc g est strictement croissante par opérations (g∘g est strictement croissante comme composée de deux fonctions strictement décroissantes , et x↦x est strictement croissante). Contradiction. ∙g est strictement croissante et continue. Elle possède notamment des limites en ±∞, et pour conclure, en vertu du théorème de la bijection monotone, il suffit de vérifier que ces limites valent −∞ et +∞. pour montrer qu’elle est bijective il reste à véiriferdonc possède une limite ℓ en +∞.
On raisonne par l’absurde. Supposons que ℓ:=x→+∞limg(x) est finie.
Alors x→+∞limg(g(x))=x→+∞lim(2g(x)−x)=−∞ par opérations : contradiction avec le fait que g∘g est strictement croissante. Conclusion. On a montré que x→+∞limg(x)=+∞ ; un raisonnement similaire donne x→−∞limg(x)=−∞.
Soit x∈R. On a g3(x)=g2(g(x))=2g2(x)−g(x)=4g(x)−2x−g(x)=3g(x)−2x.
Puis : g4(x)=g3(g(x))=3g2(x)−2g(x)=6g(x)−3x−g(x)=4g(x)−3x.
On montre par récurrence (rédaction laissée au lecteur), que : ∀n∈N∗,∀x∈R,gn(x)=ng(x)−(n−1)x. Puisque gn(0)=ng(0), cette relation s’écrit aussi ngn(x)−gn(0)=g(x)−g(0)−x+nx
gn est croissante, donc g(x)−g(0)−x+x/n est du signe de x.
En faisant tendre n→∞, on en déduit que g(x)−g(0)−x est du signe de x, doù les inégalités demandées.
g−1 est continue et vérifie pour tout x∈R (appliquer l’hypothèse de l’énoncé, au réel (g−1)2(x)) : g2((g−1)2(x))=2g((g−1)2(x))−(g−1)2(x)(g−1)2(x)=2g−1(x)−x Le résultat de la question 5. s’applique donc à g−1.
L’hypothèse sur g, appliquée au réel g−1(x), donne ∀x∈R,g−1(x)=2x−g(x) et en particulier g−1(0)=−g(0). En remplaçant dans le résultat obtenu en (8), on obtient : ∀x≥0,2x−g(x)≥−g(0)+x∀x≥0,g(x)≤g(0)+x et de même : ∀x≤0,g(x)≥g(0)+x Finalement, en combinant ces inégalités avec celles se la question 7., ceci donne : ∀x∈R,g(x)=g(0)+x
Exercice 330 ⭐️ Fonction continue non nulle, Sup/L1/Classique
Soit f:[0,1]→R une fonction continue positive et non identiquement nulle.
Montrer qu’il existe [a,b]⊂[0,1], a<b, tel que pour tout x∈[a,b], f(x)>0.
Montrer que ∫01f(x)dx>0.
Réflexes
f positive non identiquement nulle 👉 Prendre x0 tel que f(x0)>0 ;
f continue 👉 TVI ou écrire la continuité en x0.
Corrigé
Comme f est postive non identiquement nulle alors il existe x0 tel que f(x0)>0. Écrivons la définition de la continuité de f en x0 : pour tout ε>0, il existe η>0 tel que si x∈]x0−η,x0+η[⊂[0,1] alors f(x)∈]f(x0)−ε,f(x0)+ε[. Dans ton cours, c’est probablement écrit : ∣x−x0∣<η⇒∣f(x)−f(x0)∣<ε. On a juste traduit ces inégalités avec des intervalles.
Choisissons ε=2f(x0) et considérons le η=η(ε) correspondant dans la définition.
Alors pour tout x∈]x0−η,x0+η[, f(x)>f(x0)−2f(x0)=2f(x0)>0. Il suffit de choisir un intervalle [a,b]⊂]x0−η,x0+η[ pour répondre à la question.
Considérons le x0, ε et η de la question précédente. Comme f est positive sur [0,1], il vient : ∫01f(x)dx≥∫x0−ηx0+ηf(x)dx≥∫x0−ηx0+η2f(x0)dx≥2η2f(x0)>0.
Exercice 482 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Conservation de la mesure, ENS, Spé/L3
Soit E=C0([0,1],[0,1]). On dit qu’une fonction u∈E conserve la mesure si :
∀φ∈E,∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt.
Montrer que si u∈E conserve la mesure alors u([0,1])=[0,1]. Donner un exemple d’un tel u.
Soit u∈E une fonction de classe C1 par morceaux qui conserve la mesure, telle que sur chaque morceau u′ soit de signe constant et ne s’y annule pas. Montrer que : ∀y∈[0,1],x∣u(x)=y∑∣u′(x)∣1=1
Soit F:R+→R+ continue, croissante et convexe. On pose n(y)=Card(x∣u(x)=y). Montrer que : ∫[0,1](F∘∣u′∣)(t)dt≥∫[0,1](F∘n)(t)dt.
Réflexes
Corrigé
(Amicalement transmis et rédigé par Killian Le Milbeau 🙏, CPGE Chateaubriand)
Soit u∈E. Alors u est continue sur [0,1]. Or l’image d’une fonction continue par un segment est un segment. Donc, u([0,1])=[a,b] où 0≤a≤b≤1.
Raisonnons par l’absurde. Supposons que a>0 ou b<1. On sait que u conserve la mesure, donc ∀φ∈E,∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt.
Prenon une telle fonction φ, que l’on définit comme nulle sur [a,b] et strictement positive sur [0,a[∪]b,1]. Alors : (φ∘u)([0,1])=φ([a,b])={0}. D’où ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=0=∫[0,1]φ(t)dt. car ∫[0,1]φ(t)dt=∫[0,a[φ(t)dt+∫]b,1]φ(t)dt>0. Cela contredit le fait que u conserve la mesure. Ainsi a=0 et b=1.
Et donc, u([0,1])=[0,1]. Autrement dit, u est surjective.
Soit u∈E une telle fonction. Comme u conserve la mesure : ∀φ∈E,∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt. Cette égalité est en particulier vraie pour une fonction φ∈E à support compact et telle que ∫[0,1]φ(t)dt=1. Prenons donc une telle fonction φ. ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=1.
Traitons maintenant cette dernière intégrale, notre but étant de faire apparaitre la somme demandée. La fonction u est continue sur [0,1] et C1 par morceaux.
Donc, on peut diviser le segment [0,1] en segments [ai,ai+1], sur lesquels u′ est continue, de signe constant et ne s’annule pas.
Ainsi, par le relation de Chasles : ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=i∑∫[ai,ai+1](φ∘u)(t)dt=1.
Pour tout 0≤i≤n−1, la fonction u établit une bijection (croissante ou décroissante) entre l’intervalle ]ai,ai+1[ et un autre intervalle noté ]bi,bi+1[. De plus, d’après la première question, chaque x∈[0,1] appartient au moins à un intervalle ]bi,bi+1[.
On va à présent s’occuper de l’intégrale. Sur chaque intervalle ]ai,ai+1[ on effectue une changement de variable en x=u(t). Ce qui nous donne dx=u′(t)dt et de nouvelles bornes bi et bi+1. Ainsi : ∫aiai+1(φ∘u)(t)dt=∫bibi+1∣(u′∘u−1)(x)∣φ(x)dx=∫01∣(u′∘u−1)(x)∣φ(x)1x∈]bi,bi+1[dx.
Par la relation de Chasles : ∫01(φ∘u)(t)dt=i=0∑n−1∫aiai+1(φ∘u)(t)dt=i=0∑n−1∫01∣(u′∘u−1)(x)∣φ(x)1x∈]bi,bi+1[dx=∫01∣(u′∘u−1)(x)∣φ(x)(i=0∑n−11x∈]bi,bi+1[)dx.
On note N(x)=∣(u′∘u−1)(x)∣1(i=0∑n−11x∈]bi,bi+1[). On a N(u(y))=∣u′(y)∣1Card{0≤i≤n−1:u(y)∈]bi,bi+1[}=∣u′(y)∣1Card{x∈[0,1]:u(y)=x}.
Pour la dernière égalité on a utilisé le fait que u est surjective sur chacun des intervalles ]ai,ai+1[.
Pour répondre à la question (et sachant que u est surjective de [0,1] dans [0,1]), il suffit donc de montrer que la fonction N est identiquement égale à 1. Or on sait que : ∀φ∈E,∫01φ(t)dt=∫01φ(x)N(x)dx.
On peut se “convaincre” (sûrement une preuve rigoureuse serait délicate) que la fonction N est continue par morceaux sur [0,1]. Pour montrer que N=1, il suffit alors de montrer que ∫01(N(x)−1)2dx=0. En développant le carré, on voit qu’il suffit de montrer que ∫01N(x)2dx−2∫01N(x)dx+1=0. En choisissant ϕ(x)=1−N(x), on obtient le résultat voulu !
La fonction φ n’est pas forcément continue me direz-vous… J’ai trop faim pour rédiger les détails…
ça sent Jensen. On va y réfléchir.
Exercice 486 ⭐️⭐️ Continuité et rationnalité, Sup/L1
Soit f la fonction définie sur R par f(x)={21xsi x∈Qsinon.
Soit x∈R. Déterminer n→+∞lim10n⌊10nx⌋.
Montrer que si f est continue en a ∈R, alors a∈Q.
Montrer que si f est continue en a ∈Q, alors a = 21.
Conclure.
Réflexes
Partie entière 👉 Encadrement !
Comment traduire la continuité de f en a tout en profitant des propriétés de f ?
Idem ;
Que vient-on de montrer ?
Corrigé
(Amicalement transmis et rédigé par Thomas B., CPGE au Collège Stanislas 🙏)
Soit x∈R. Pour tout n∈N, 10nx−1<⌊10nx⌋≤10nx.
Donc 10n10nx−1<10n⌊10nx⌋≤10n10nx et alors x−10n1<10n⌊10nx⌋≤x.
Par le théorème d’encadrement, on a finalement n→+∞lim10n⌊10nx⌋=x.
Soit a∈R. Supposons f continue en a, i.e. pour toute suite (un)n∈N∈R convergeant vers a, (f(un))n∈N converge vers f(a).
Comme cette propriété est vraie pour toute suite réelle et que les propriétés de f dépendent de la rationalité, pourquoi ne pas tenter avec des suites rationnelles ?
Ainsi, soit (un)n∈N une suite rationnelle convergeant vers a , par exemple la suite définie sur N par un=10n⌊10na⌋. Comme f est continue en a, f(un)n→+∞f(a). Or pour tout n∈N, f(un)=21 car un est rationnel.
On a donc f(un)n→+∞f(a), mais aussi f(un)n→+∞21. Par unicité de la limite, on en déduit que f(a)=21, i.e. a∈f−1({21}).
Or f−1({21})=Q, d’où a∈Q.
Soit a∈Q tel que f soit continue en a.
Dans le 2. on a extrait de précieuses informations sur a grâce à une suite rationnelle. Il est temps de voir ce que donne une suite irrationnelle.
Ainsi, soit (un)n∈N suite irrationnelle convergeant vers a (existence assurée par densité de R−Q dans R). Comme f est continue en a, f(un)n→+∞f(a). Or pour tout n∈N, f(un)=un car un est irrationnel.
On a donc unn→+∞f(a), mais aussi unn→+∞a. Par unicité de la limite, on en déduit que a=f(a). Comme a∈Q, f(a)=21.
D’où a=21.
On vient donc de montrer que si f devait être continue en un point, ce serait uniquement pour x=21 (Analyse). Vérifions que f est bien continue en ce point (Synthèse).
Soit ε>0. Montrons qu’il existe un η tel que pour tout x∈R, ∣x−21∣<η⟹∣f(x)−21∣<ε .
On sait que f(x)=x ou f(x)=21 en fonction de la rationnalité de x. Si f(x)=21, n’importe quel η convient. Si f(x)=x, η=ε convient.
Ainsi, en choisissant η=ε, on a bien la continuité en 21 de f.
La fonction f est donc continue en 21 et uniquement en ce point-là.
Exercice 506 ⭐️⭐️ Convergence vers la "norme 0", Sup/L1
Soit des ak>0. On pose S(x)=k1j=1∑kajx pour x≥0. Déterminer si elle existe x→0limS(x)1/x.
Réflexes
S(x)1/x 👉 Ecriture ex1ln(S(x)) ;
1/x et x→0 👉 Taux d’accroissement !
Corrigé
Suivant nos réflexes, essayons de faire apparaître un taux d’accroissement ! On a S(0)=1, donc lnS(0)=0. On pose f(x)=ln(S(x)), d’où, pour x>0, x1ln(S(x))=xf(x)−f(0). Donc si cette dernière quantité converge, c’est vers f′(0). Or f est bien dérivable et même C1 sur [0,∞[ et f′(x)=S(x)S′(x). D’où f′(0)=S′(0). En écrivant ajx=exln(aj), on en déduit que S′(x)=k1j=1∑kln(aj)ajx. Ainsi S′(0)=k1j=1∑kln(aj)=ln(j=1∏kaj1/k), d’où, comme la fonction exponentielle est continue : S(x)1/x=ex1ln(S(x))x→0eS′(0)=j=1∏kaj1/k.