b) Construction de solutions pathologiques
Abandonnons l’hypoth`ese de continuit´e de f, et construisons des solutions d´esagr´eablement
non-continues. On reprend `a (linQ). Pour construire g, il suffit de choisir4une base (xi)i∈I
du Q-espace vectoriel5R, une famille quelconque de r´eels (yi)i∈I. Il existe alors une unique
application lin´eaire gtelle que pour tout i∈I,g(xi) = yi.
Soit α∈R. Il est ´equivalent de dire que pour tout x,g(x) = αx et de dire que pour tout
i,yi=αxi. En effet, si les fonctions lin´eaires get x7→ αx co¨ıncident sur la base (xi), elles
sont ´egales, et la r´eciproque est triviale. De plus, d’apr`es le paragraphe a), gest continue
si et seulement s’il existe αtel que g(x) = αx. Par cons´equent, la fonction gest continue
si et seulement si tous les yi/xisont ´egaux –autant dire que ¸ca n’arrive pas souvent...
Enfin, ´etant donn´e une application additive g:R→Rnon continue, on construit une
solution de (E) en posant f= exp ◦g; elle n’est pas continue (pourquoi ?).
3◦R´esolution de (E)a mano (comme la pelote basque !)
Dans cette version, on se refuse `a utiliser le logarithme. On part du constat suivant :
∀r∈Q, f(r) = f(1)r.
La d´emarche est la suivante : on prolonge Q→R,r7→ f(1)r(c’est la partie difficile), puis
on montre que fco¨ıncide avec ce prolongement (facile par densit´e de Q!).
a) Construction des fonctions puissances
Lemme Soit a > 0.
(i) La suite (a1/k)k≥1converge vers 1.
(ii) Si (tn)nest une suite de rationnels qui est de Cauchy, la suite (atn)nest de Cauchy.
(iii) Soit x∈Ret (rn)net (sn)ndeux suites de rationnels qui tendent vers x. Alors les
limites de (arn)net de (asn)nsont ´egales.
D´emonstration. (i) Quitte `a ´ecrire a1/k = 1/(1/a)1/k et `a remplacer apar 1/a, on peut
supposer a≥1. Pour r∈Q,r > 0 on a ar≥1, donc on a, pour k≥1 :
0≤a1/k −1 = a−1
a(k−1)/k +a(k−2)/k +· · · +a2/k +a1/k + 1 ≤a−1
k.
(ii) La suite ´etant de Cauchy, elle est born´ee entre deux rationnels met M. Pour p, q ∈N,
on ´ecrit : |atp−atq|=|atp−tq−1|atq. D’une part, en vertu de (i), on peut rendre |atp−tq−1|
aussi petit que l’on veut en prenant pet qassez grands ; d’autre part, atqreste born´e entre
les deux constantes amet aM. Par suite, on peut rendre |atp−atq|aussi petit que l’on
veut : c’est fini.
(ii) Pour n∈N, posons t2n=rnet t2n+1 =sn: cette suite converge vers x, donc elle
est de Cauchy, donc (atn) a une limite, qui est aussi celle de (arn) et de (asn), qui sont
n´ecessairement ´egales.
Ce lemme donne un sens `a la d´efinition suivante :
D´efinition. Soit a > 0. Pour x∈R, choisissons une suite (rn) de rationnels qui converge
vers x. La suite (arn) est de Cauchy, et sa limite ne d´epend que de x, et pas du choix de
la suite (rn). On la note ax. On d´efinit ainsi une fonction appel´ee exponentielle de base
a. (Noter que si on prend x∈Qet rn=xpour tout n, on voit que arnco¨ıncide avec ax
pour tout n: pas de conflit de notation.)
Lemme Soit a > 0. La fonction ea:R→R,x7→ axest continue et satisfait (E).
4Nous croyons en l’axiome du choix !
5Rappelons que Rest de dimension infinie sur Q, i.e. Iest infini, et mˆeme non d´enombrable.
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