Primitives d’une fonction, intégrale, inégalité de la moyenne 5
Séparation : Soit f∈C0([a, b]) tel que n(f) = 0. Montrons alors par l’absurde que f= 0. Supposons donc que f6= 0.
Il existe alors x0∈[a, b]tel que f(x0)6= 0, et la proposition 2’ nous assure alors que Rb
af(t) dt > 0. En appliquant
ensuite le corollaire 3, on obtient l’inégalité suivante :
0<Zb
a
f(t) dt=Zb
a
f(t) dt6Zb
a
|f(t)|dt.
Ceci implique alors que n(f)>0, ce qui contredit l’hypothèse de départ. On obtient donc bien l’implication n(f) = 0 ⇒
f= 0.
Homogénéité : Soient λ∈Ret f∈C0([a, b]). Alors
n(λf) = Zb
a
|λf(t)|dt=Zb
a
|λ|·|f(t)|dt=|λ|Zb
a
|f(t) dt=|λ|n(f).
Inégalité triangulaire : Soient enfin f, g ∈C0([a, b)]. Alors
n(f+g) = Zb
a
|f(t) + g(t)|dtcoro 2
6Zb
a
|f(t)|+|g(t)|dt=Zb
a
|f(t)|dt+Zb
a
|g(t)|dt=n(f) + n(g).
Rappelons ensuite qu’une application est un produit scalaire si elle est bilinéaire, symétrique, positive et séparée. Vérifions
ces quatre points pour l’application ϕ:
Positivité : Soit f∈C0([a, b]). Montrons que ϕ(f, f )>0:ϕ(f, f) = Rb
af(t)2dtprop 2
>0.
Séparation : Soit f∈C0([a, b]). Montrons par l’absurde que ϕ(f, f ) = 0 ⇒f= 0. Supposons que f6= 0, c’est-à-dire qu’il
existe x0∈[a, b]tel que f(x0)6= 0. Alors f(x0)26= 0, et la proposition 2’ nous assure que Rb
af(t)2dt > 0, ou encore
ϕ(f, f )>0, ce qui contredit l’hypothèse de départ. Par conséquent, il vient que f= 0.
Bilinéarité : Cette propriété ne sera vérifiée que pour f, les rôles de fet gétant symétriques dans ϕ. Supposons gconstante.
Alors pour tous f1, f2∈C0([a, b]) et λ∈R, on a
ϕ(f1+f2, g) = Zb
af1(t) + f2(t)g(t) dt=Zb
a
f1(t)g(t) + f2(t)g(t) dt=Zb
a
f1(t)g(t) dt+Zb
a
f2(t)g(t) dt
=ϕ(f1, g) + ϕ(f2, g),
et ϕ(λf1, g) = Zb
aλf1(t)g(t) dt=λZb
a
f1(t)g(t) dt=λϕ(f1, g).
Symétrie : La symétrie est assurée par la commutativité du produit dans R:f(t)g(t) = g(t)f(t).
Théorème 4 (inégalité de la moyenne) : Soient f:I−→ Rcontinue et a, b ∈Ivérifiant a < b. S’il
existe deux réels met Mtels que m6f6Msur I, alors m(b−a)6Rb
af(t) dt6M(b−a).
démonstration :Pour tout x∈I,
f(x)−m>0prop 2
⇒Zb
a
f(t)−mdt>0⇔Zb
a
mdt6Zb
a
f(t) dt⇔m(b−a)6Zb
a
f(t) dt.
On montre de la même manière que Rb
af(t) dt6M(b−a).
76.4 Applications
Exercice : Calculer l’aire entre une parabole (x7→ x2) et une sécante entre les deux points d’intersection.