Devoir Surveillé no4Mathématiques, MP 933 &934
2 Étude d’une équation fonctionnelle
et application à la fonction Γd’Euler
Ce problème a pour objectif l’étude des fonctions f: ] 0 ; +∞[→Rvérifiant les relations :
(∗)(∀x > 0f(x+ 1) −f(x) = ϕ(x)
f(1) = λ
où λest un réel donné et ϕ: ] 0 ; +∞[→Rest une fonction donnée.
I Une équation fonctionnelle
On suppose dans cette partie que ϕest décroissante sur ] 0 ; +∞[et que lim
x→+∞ϕ(x) = 0
I.1. On pose pour tous n∈N∗et p∈N:un(p) = ϕ(n)−ϕ(n+p).
a) Pour tout entier N> p, calculer N
P
n=1
un(p)en fonction des nombres un(N).
b) En déduire, pour tout p∈N, la convergence et la somme de la série P
n>1
un(p).
I.2. On pose, pour tous n∈N∗et x∈R+:un(x) = ϕ(n)−ϕ(n+x).
a) Montrer que la série P
n>1
un(x)converge pour tout x∈R+.
Indication : Après avoir fixé un réel x, on pourra choisir un entier qui lui est supérieur.
b) Montrer que la série de fonctions P
n>1
unconverge uniformément sur tout segment de R+.
I.3. On pose pour tout x > 0:f0(x) = λ−ϕ(x) +
+∞
P
n=1 ϕ(n)−ϕ(n+x). Montrer que la fonction f0est croissante et vérifie
les relations (∗).
I.4. Soit fune fonction croissante sur ] 0 ; +∞[vérifiant les relations (∗). On pose g=f−f0.
a) Montrer qu’il existe T>0tel que g(x) = g(x+ T) pour tout x > 0.
b) Montrer que pour tout n∈N∗et pour tout x∈] 0 ; 1 ], on a : g(x)6ϕ(n).
c) En déduire que f0est l’unique fonction croissante et vérifiant les relations (∗).
I.5. On suppose dans cette question que ϕest continue sur ] 0 ; +∞[.
a) Montrer que f0est continue sur ] 0 ; +∞[.
b) Montrer que f0+ϕest prolongeable par continuité en 0.
II Dérivation
On suppose dans cette partie que ϕest de classe C1sur ] 0 ; +∞[, que ϕ′est décroissante sur ] 0 ; +∞[et que
lim
x→+∞ϕ′(x) = 0.
II.1. Soit µun réel donné. Montrer qu’il existe une unique fonction gµ, définie et croissante sur ] 0 ; +∞[, et vérifiant les
relations :
(∗∗)(∀x > 0gµ(x+ 1) −gµ(x) = ϕ′(x)
gµ(1) = µ
II.2. On pose pour tout x>0:h(x) =
+∞
P
n=1 ϕ′(n)−ϕ′(n+x).
Montrer que la fonction x7→ ϕ(x+ 1) −Rx+1
xh(t) dtest définie et constante sur [ 0 ; +∞[.
II.3. Montrer qu’il existe une unique valeur µ0de µet une unique primitive Gµ0de gµ0sur ] 0 ; +∞[telles que Gµ0vérifie
les relations (∗).
II.4. En déduire qu’il existe une unique fonction f1, dérivable sur ] 0 ; +∞[, vérifiant les relations (∗)et telle que f′
1soit
croissante sur ] 0 ; +∞[.
Donner, pour tout x > 0, une expression de f1(x)à l’aide de λ,x,ϕ(1),ϕ(x),R1
0h(t) dtet Rx
0h(t) dt.
II.5. Montrer, pour tout x > 0, les formules suivantes :
DS04.tex