
Probl`eme 2 : nombre d’enroulements de Poincar´e
Lorsque fest une application de Rdans R, on dit que c’est un hom´eomorphisme
sur Rsi et seulement si fest bijective et continue. On note Hom l’ensemble des
hom´eomorphismes sur R.
Lorsque f∈Hom, pour tout n∈N∗, on notera fn=f◦ · · · ◦ f
|{z }
nfois
, et on conviendra que
f0=IdR.
Partie I : groupe d’enroulement de Poincar´e
On note H={f∈Hom /∀x∈R, f(x+ 1) = f(x) + 1}.
1◦) Montrer que f∈Hsi et seulement si f∈Hom et si f−IdRest une application
p´eriodique de p´eriode 1.
2◦) Montrer que Hom et Hsont des groupes.
3◦) Soit f∈H. Montrer que pour tout m∈Zet x∈R,f(x+m) = f(x) + m.
Montrer que fest strictement croissante.
4◦) V´erifier que x7−→ x+1
2πsin(2πx) est un ´el´ement de H.
Parmi les applications affines, c’est-`a-dire de la forme x7−→ ax +b, o`u a, b ∈R,
lesquelles sont dans H?
Partie II : nombre d’enroulements de Poincar´e
Dans cette partie, on fixe f∈H.
Pour tout n∈N∗, on note un=1
n(fn−IdR).
5◦) Soit n∈N∗et x, y ∈R.
Lorsque x≤y < x + 1, montrer que |un(y)−un(x)| ≤ 1
n.
Lorsque xet ysont quelconques dans R, montrer que cette in´egalit´e est encore valable.
6◦) Pour tout n, m ∈N∗, montrer que unm(0) = 1
m
m−1
X
k=0
un(fkn(0)), puis en d´eduire
que |unm(0) −un(0)| ≤ 1
n.
Montrer que (un(0))n∈N∗est une suite de Cauchy de r´eels, c’est-`a-dire que
∀ε > 0,∃N∈N,∀p, q ∈[[N, +∞[[,|up(0) −uq(0| ≤ ε.
Nous verrons plus tard, et nous admettrons pour le moment, que toute suite de Cauchy
de r´eels est convergente.
7◦) On note ρ(f) la limite de la suite (un(0))n∈N∗.
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