Probl`
emes de Math´
ematiques
´
Equations fonctionnelles
Corrig´e
(b) On pose y= 0 dans (2) et on trouve, en utilisant g(0) = 0 (car gest impaire) :
∀x∈R, f(x) = f(x)f(0) + g(x)g(0) = f(x)f(0).
Mais fn’est pas constante, donc il existe x1dans Rtel que f(x1)6= 0.
L’´egalit´e f(x1) = f(x1)f(0) donne alors f(0) = 1.
Si on pose x=ydans (2), on en d´eduit :
∀x∈R, f(0) = f2(x) + g2(x) donc f2(x) + g2(x) = 1. [ Q ]
(c) En changeant yen −ydans (2) et en utilisant la parit´e de fet l’imparit´e de g:
∀(x, y)∈R2, f (x+y) = f(x)f(−y) + g(x)g(−y) = f(x)f(y)−g(x)g(y).
En ajoutant avec l’´egalit´e (2), on trouve :
∀(x, y)∈R2, f (x+y) + f(x−y) = 2f(x)f(y). Donc fest solution de (1). [ Q ]
3. Commen¸cons par d´eterminer tous les couples (f, g) solutions de (2) en supposant que fest une
application constante x7→ a(attention : les r´esultats de la question pr´ec´edente ont ´et´e obtenus
en supposant que fn’´etait pas constante.)
L’´egalit´e (2) donne alors : ∀(x, y)∈R, g(x)g(y) = f(x−y)−f(x)f(y) = a(1 −a).
En particulier : ∀x∈R, g2(x) = a(1 −a).
– Si a < 0 ou a > 1, il n’y a aucune solution.
– Si a∈ {0,1}, c’est-`a-dire si f≡0 ou f≡1, alors g≡0.
R´eciproquement, les couples (f≡0, g ≡0) et (f≡1, g ≡0) sont solutions de (2).
– Si 0 < a < 1, alors pour tout xde R, on a g(x) = √a−a2ou g(x) = −√a−a2.
Comme gest continue sur R, elle ne peut pas prendre tantˆot une de ces deux valeurs et tantˆot
l’autre (sans prendre toutes les valeurs comprises entre elles).
Autrement dit, on a : g≡√a−a2ou g≡ −√a−a2.
R´eciproquement, les couples ((f≡a, g ≡√a−a2)
(f≡a, g ≡ −√a−a2)sont solutions de (2).
On va maintenant supposer que fn’est pas constante, ce qui permet d’utiliser les r´esultats de
la question pr´ec´edente. On sait notamment que fest solution de (1).
– Premier cas : il existe ω > 0 tel que f(x)≡ch ωx.
Pour tout xde R, on a g2(x) = 1 −f2(x), donc g2(x)<0 si x6= 0 ce qui est absurde.
Ce premier cas ne fournit donc aucune solution pour l’´equation (2).
– Deuxi`eme cas : il existe ω > 0 tel que f(x)≡cos ωx.
Pour tout xde R, on a alors g2(x) = 1 −f2(x) = sin2ωx.
En particulier, avec x=π
2n, il existe ε∈ {−1,1}, tel que g(π
2n) = ε.
Pour tous x, y dans R,ona:
g(x)g(y) = f(x−y)−f(x)f(y) = cos ω(x−y)−cos ωx cos ωy = sin ωx sin ωy.
En choisissant y=π
2n, on trouve : ∀x∈R, g(x) = εsin ωx.
R´eciproquement, les couples (f≡cos ωx, g ≡sin ωx)
(f≡cos ωx, g ≡ −sin ωx)sont solutions de (2).
On a donc obtenu tous les couples de solutions continues de l’´equation (2).
Ce sont : (f≡0, g ≡0)
(f≡1, g ≡0),
(f≡a, g ≡√a−a2)
(f≡a, g ≡ −√a−a2)
avec 0<a<1
et
(f≡cos ωx, g ≡sin ωx)
(f≡cos ωx, g ≡ −sin ωx)
avec ω > 0
[ Q ]
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