Spéciales MP02/2005
Corrigé du devoir surveillé n9

Exercice
1. Majoration de |f(x)|:La fonction gest de classe C2telle que g(0) = 0, g(0) = 2f(x)et g (t) =
f (x+t)f (xt)pour tout tR.A fortiori, |g (t)||f (x+t)|+|f (xt)|2M2pour tout réel
t, donc par l’inégalité de Taylor-Lagrange appliquée à gà l’ordre 2 sur [0, h],on a :
f(x+h)f(xh)2hf(x)=g(h)g(0) hg(0)h2
2sup
tRg (t)h2M2
d’où : 2hf(x)f(x+h)f(xh)2hf(x)+|f(x+h)f(xh)|
h2M2+|f(x+h) +||f(xh)|h2M2+ 2M0
et enfin : f(x)h
2M2+M0
h
2. Majoration de M1: La majoration précédente montre que fest bornée par h
2M2+M0
hpour tout h > 0.Si
M2= 0,en faisant tendre hvers +,on obtient f= 0,donc M1= 0.Si M2>0,on pose φ(h) = h
2M2+M0
h
pour h > 0.La dérivée φ(h)est du signe de h22M0
M2,donc φadmet un minimum pour h0=2M0
M2,qui
vaut φ(h0) = 2M0M2.On en déduit que |f(x)|2M0M2pour tout xréel, donc par passage au sup :
M12M0M2.
Remarque : On peut aussi dire que 1
2M2h2− |f(x)|h+M00pour tout hR(c’est la question 1
pour h > 0et c’est évident pour h0), donc en utilisant le signe du trinôme ( dans le cas M2>0),on
aboutit à ∆ = |f(x)|22M0M20.
PROBME
I. Résolution de (E)
1. Caractérisation d’une solution à (E): Si fest solution de (E), F =Ta(f)est de classe C1telle que
F=f, F (0) = 0 et FF=g. Réciproquement, si f=Favec Fde classe C1nulle en 0 telle que
FF=g, alors F(x) = x
0f(t) dt=Ta(f) (x),donc fvérifie (E).
2. Résolution : La fonction Fvérifie FF=g, F (0) = 0 si, et seulement si, x→ exF(x)et nulle en 0 et
a pour dérivée x→ exg(x),donc ssi :
x[0, a],exF(x) = x
0
etg(t) dt
On en déduit par la question 1 que la seule solution fà l’équation (E)est f=F=g+F, soit :
x[0, a], f (x) = g(x) + x
0
extg(t) dt
3. Exemple numérique : Si f(x) = cos x, on se ramène au calcul de x
0etcos tdt. Or :
x
0
e(i1)tdt=1
i1e(i1)x1=1 + i
21excos xiexsin x
donc en prenant la partie réelle :
x
0
etcos tdt= Re x
0
e(i1)tdt=1
21excos x+ exsin x
d’où enfin :
Ta(f) (x) = cos x+ exx
0
etcos tdt=1
2(ex+ cos x+ sin x).
Si fest la fonction obtenue, on a F(x) = 1
2(ex+ sin xcos x),d’où f(x)F(x) = cos x, ce qui confirme
bien que fest solution !
1
II. Proprs de Ta
1. L’endomorphisme Ta
a) Linéarité, noyau, image : La linéarité est immédiate par linéarité de l’intégrale. Puis, si fEa,
Ta(f) = 0 f= (Ta(f))= 0,donc Ker Ta={0}:Taest injective. Enfin, si fEa, g =Ta(f)
est de classe C1nulle en 0. Inversement, si gest C1nulle en 0, on a g=Ta(g),donc Im Ta=
g∈ C1([0, a],R)/ g (0) = 0.
b) Spectre de Ta:L’injectivité de Tamontre que 0/Sp Ta.Puis, si λR,une fonction de l’espace Eλ(Ta)
vérifie f=1
λTa(f),donc est de classe C1et vérifie l’équation différentielle f=1
λfavec la condition
f(0) = 0.Elle est donc nulle, ce qui implique que λ /Sp Ta,d’où Sp Ta=.
2. Continuité, norme : Si fEa,on a
|Ta(f) (x)|=x
0
f(t) dtx
0|f(t)|dtx
0fa
dt=xfa
afa
donc par passage au sup,Ta(f)a
afa
.Ceci montre que Taest continue de norme |||Ta||| a. De
plus, si on prend pour fla fonction constante égale à 1, on a fa
= 1 et Ta(f)a
= supx[0,a]|x|=a,
donc |||Ta||| =a.
3. L’endomorphisme continu Sa
a) Linéarité de Sa:L’équation (E)s’écrit (IEaTa) (f) = g, donc on peut interpréter l’existence et l’unicité
de fen disant que IEaTaest une bijection et que Sa= (IEaTa)1.Comme IEaTaest linéaire, on
en déduit (sans calcul !) que Saest linéaire.
b) Continuité, norme : Soit gEa.Si x[0, a],on a :
|Sa(g)|(x) = g(x) + x
0
extg(t) dt|g(x)|+x
0
ext|g(t)|dt
ga
1 + x
0
extdt= exga
eaga
donc par passage au sup,Sa(g)a
eaga
.Comme Saest linéaire, cette inégalité montre la continui
de Saet la majoration |||Sa||| ea.Enfin, si on prend pour gla fonction constante égale à 1, on a
Sa(g) (x) = ex,donc elle vérifie ga
= 1 et Sa(g)a
= ea,ce qui montre que la constante eaest
atteinte sur la sphère unité. On a donc |||Sa||| = ea.
c) Une application : Soit (gn)nNune suite d’éléments de Eaqui converge uniformément sur [0, a]vers une
fonction g. Par continuité de chaque gn,on sait que gest continue, donc la suite (gn)converge vers g
dans l’espace normé (Ea, a
).Par continuité de Sa,on a donc aussi Sa(gn)Sa(g)quand n+,
donc la suite (Sa(gn)) converge uniformément sur [0, a]vers la fonction Sa(g)(car la convergence pour
 a
est précisément la convergence uniforme).
4. Une formule intégrale pour (Ta)n(f)
a) Préliminaires : Il est clair que fde classe CkTa(f)de classe Ck+1 puisque Ta(f)est une primitive de
f, donc par récurrence (Ta)k(f)est de classe Ckpour tout kN,en particulier (Ta)n(f)est de classe
Cn.De plus, en écrivant (Ta)n(f) = Ta(g)avec g= (Ta)n1(f),on voit que ((Ta)n(f))= (Ta(g))=
g= (Ta)n1(f)et par récurrence ((Ta)n(f))(k)= (Ta)nk(f)pour 0kn.
b) Formule : On a ((Ta)n(f))(k)(0) = (Ta)nk(f) (0) = 0 pour 0kn1car on peut écrire (Ta)nk(f) =
Ta(g)avec g= (Ta)nk1(f)et on sait que tout élément de Im Tas’annule en 0. En posant F= (Ta)n(f),
on applique ensuite la formule de Taylor avec reste ingral à l’ordre n, donc pour x[0, a] :
F(x) =
n1
k=0
F(k)(0)
k!+x
0
(xt)n1
(n1)! F(n)(t) dt=x
0
(xt)n1
(n1)! f(t) dt
2
5. Noyau et image de (Ta)n: L’injectivité de Taimplique celle de (Ta)n,donc Ker (Ta)n={0}.Puis, si
fEa,on a vu que F= (Ta)n(f)est de classe Cnet vérifie F(k)(0) = 0 pour 0kn1.Inversement,
soit gune fonction de classe Cnvérifiant g(k)(0) = 0 pour 0kn1.Si on pose f=g(n),on a fEa
et à nouveau par la formule de Taylor avec reste intégral :
g(x) =
n1
k=0
g(k)(0)
k!+x
0
(xt)n1
(n1)! g(n)(t) dt=x
0
(xt)n1
(n1)! f(t) dt= (Ta(f)) (x)
donc g=Ta(f).Il s’ensuit que :
Im (Ta)n=g∈ Cn([0, a],R)/k[[0, n 1]], g(k)(0) = 0.
6. Continuité et norme de (Ta)n
a) Linéarité et continuité de (Ta)n:Le fait que Ta∈ Lc(Ea)implique que (Ta)n∈ Lc(Ea)car Lc(Ea)est
une algèbre !
b) Calcul de la norme : Soit fEa.Si x[0, a],on a :
|(Ta)n(f) (x)|=x
0
(xt)n1
(n1)! f(t) dtx
0
(xt)n1
(n1)! |f(t)|dt
x
0
(xt)n1
(n1)! fa
dt=(xt)n
n!t=x
t=0 fa
=xn
n!fa
an
n!fa
donc par passage au sup,(Ta)n(f)a
an
n!fa
.De plus, si on prend pour fla fonction constante égale
à 1, on a (Ta)n(f) (x) = xn
n!,d’où fa
= 1 et (Ta)n(f)a
=an
n!.On en déduit que |||(Ta)n||| =an
n!.
7. Une expression à l’aide d’une série : Soit fEa.
a) Expression de Sa(f) : Soit x[0, a].On a :
t[0, a],nN,
(xt)n1
(n1)! f(t)xn1
(n1)!fa
avec n1
xn1
(n1)! convergente et indépendante de t, donc la série n1
(xt)n1
(n1)! f(t)est normale-
ment convergente par rapport à tsur [0, a].A fortiori, on peut intégrer terme à terme, donc :
+
n=1
(Ta)n(f) (x) =
+
n=1 x
0
(xt)n1
(n1)! f(t) dt=x
0+
n=1
(xt)n1
(n1)! f(t) dt=x
0
extf(t) dt.
En ajoutant (Ta)0(f) (x) = f(x),on en déduit que :
+
n=0
(Ta)n(f) (x) = f(x) + x
0
extf(t) dt=Sa(f) (x).
b) Une convergence normale : On a pour tout x[0, a] :
|(Ta)n(f) (x)|(Ta)n(f)a
an
n!fa
avec convergence de la série de terme général an
n!fa
,indépendante de x, donc la série n0(Ta)n(f) (x)
converge normalement sur [0, a].
3
III. Utilisation des algèbres de Banach.
1. Une propriété d’inversibilité
a) Définition de y:La série n0xnconverge et Aest de Banach, donc la série n0xnconverge (car
dans un Banach, absolue convergence convergence).
b) Inversibilité de ex:Soit yn=n
k=0 xk.On a (ex)yn=yn(ex) = exn+1,et la suite (xn)tend vers 0
car la série xnconverge, donc exn+1 equand n+.Comme d’autre part (ex)yn(ex)y
et yn(ex)y(ex)par continuité de la multiplication dans une algèbre normée, on obtient que
(ex)y=y(ex)=e. Ceci montre que exest inversible et que (ex)1=y.
Montrer seulement (ex)y=eou y(ex) = ene suffit pas !
c) Majoration de y:On a ynn
k=0 xkpour tout n, donc par continuité de la norme (c’est une
application 1-lipschitzienne), on obtient à la limite que y+
n=0 xn.
2. Étude de l’ensemble des inversibles
a) Préliminaire : Si h<1,en posant x=h, on a xnhnterme général d’une série convergente,
donc n0xnconverge et la question 1 s’applique, donc ex=e+h∈ U.De plus (comme à 1.c) :
(e+h)1e=
+
n=1
(h)n
+
n=1 hn=h
1h
b) Uest ouvert : Soit x0∈ U et xB0x0,x1
01.En posant h=xx0et h=x1
0h, on a h<
x1
01,donc hx1
0 · h<1,ce qui montre par le a) que e+hest inversible. A fortiori,
x0(e+h) = x0+h=xest inversible car Uest un groupe, donc x∈ U.On a donc B0x0,x1
01⊂ U,
ce qui montre sur la définition que Uest ouvert.
c) Continuité de x→ x1:La majoration (e+h)1eh
1−hmontre que limh0(e+h)1=e,
donc la fonction φ:x→ x1est continue au point e. Puis, si x0∈ U,on a φ(x) = x0·x1
0x1=
φx1
0xφ(x0).Par continuité de x→ x1
0xen x0et de φen e, on a limxx0φx1
0x=φ(e) = e, donc
limxx0φ(x) = e·φ(x0) : la fonction φest continue en x0.
3. Une propriété théorique : Si unudans (Lc(E),||| · |||),alors pour xE, on a :
un(x)u(x)|||unu|||· x
et le terme de droite tend vers 0 quand n+,donc un(x)u(x) → 0,ce qui veut dire que
un(x)u(x)quand n+dans l’espace normé (E,  · ).
4. Application à l’équation (E)
a) (Ea, a
)est de Banach : En effet, B([0, a],R)est de Banach pour la norme uniforme car Rest de
Banach et Ea=C0([0, a],R)est fermé dans B([0, a],R),donc Eaest à son tour un Banach (une partie
fermée d’une partie complète est complète).
b) Résolution «topologique» : L’équation (E)s’écrivant (IEaTa) (f) = g, on a vu que l’existence et l’unicité
de fse ramenait à la bijectivité de IEaTa.Pour le montrer, prenons pour Al’espace Lc(Ea)muni de
la norme ||| · ||| associée à  · a
.Comme (Ea, a
)est de Banach, l’espace (Lc(Ea),||| · |||)l’est aussi
, donc c’est une algèbre de Banach. De plus, on a ici e=IEa,et en prenant x=Ta,on a |||xn||| =an
n!,
terme général d’une série convergente, donc la question III.1.b) s’applique et montre que IEaTaest
inversible dans (Lc(Ea),|||· |||).Ceci signifie précisément que IEaTaest bijective et que la bijection
réciproque est linéaire continue. On obtient donc sans calcul l’existence et l’unicité de la solution, ainsi
que le caractère linéaire continu de Sa.De plus, on a la formule :
Sa= (IEaTa)1=
+
n=0
(Ta)n
4
donc N
n=0 (Ta)nSaquand N+dans l’espace normé (Lc(Ea),||| ·|||).En appliquant la ques-
tion III.3, on en déduit que si gEa,alors N
n=0 (Ta)n(g)Sa(g)quand N+dans l’espace
(Ea, · a
).Relation qui s’écrit aussi :
Sa(g) =
+
n=0
(Ta)n(g)
et comme il s’agit de convergence pour  · a
,cela se traduit par la formule :
Sa(g) (x) =
+
n=0
(Ta)n(g) (x)
avec convergence uniforme de la série sur [0, a].
c) Retour à une inégalité : On a vu que |||(Ta)n||| =an
n!,donc la question III.1.c) montre que :
|||Sa||| =|||
+
n=0
(Ta)n|||
+
n=0 |||(Ta)n||| =
+
n=0
an
n!= ea
Comme on a montré par ailleurs que |||Sa||| = ea,on constate ici qu’il y a égalité.
5. Une application des séries : La relation admise (Sa)2=+
n=0 (n+ 1) (Ta)nimplique pour tout fEa
la relation (Sa)2(f) = +
n=0 (n+ 1) (Ta)n(f)à cause de la question III.3. Or, si x[0, a],on a pour
n1 :
(n+ 1) (Ta)n(f) (x) = x
0
(n+ 1) (xt)n1
(n1)! f(t) dt
La méthode de la question II.7.a) conduit à considérer la série de fonctions n1(n+ 1) (xt)n1
(n1)! .En
posant u=xt, et en décalant l’indice, on se ramène à n0(n+ 2) un
n!.Or :
+
n=0
(n+ 2) un
n!=
+
n=1
un
(n1)! + 2
+
n=0
un
n!=ueu+ 2eu= (u+ 2) eu
De plus, la majoration (n+ 1) (xt)n1
(n1)! (n+ 1) xn1
(n1)! montre la convergence normale par rapport à tet
permet d’intégrer terme à terme, donc (en considérant à part le terme pour n= 0) :
(Sa)2(f) (x) = f(x) + +
0+
n=1
(n+ 1) (xt)n1
(n1)! f(t) dt=f(x) + +
0
(xt+ 2) extf(t) dt
IV. Utilisation d’un théome de point fixe
A. Théorème du point fixe de Picard amélioré
1. Cas φcontractante
a) Unicité du point fixe : Si φ(x) = xet φ(y) = y, alors xy=φ(x)φ(y)kxy,donc
(1 k)xy0.Comme 1k > 0,on en déduit que xy= 0,soit x=y.
b) Convergence d’une suite : On a xn+2 xn+1=φ(xn+1)φ(xn)kxn+1 xn,donc par récurrence
xn+1 xnknx1x0,ce qui montre par comparaison à une série géométrique convergente la
convergence de la série de terme général xn+1 xn.Comme Eest complet, on en déduit la convergence
de la série n0(xn+1 xn),et enfin par dualité séries-suites, on obtient la convergence de (xn).
c) Conséquences : Soit ξ= lim xn.Comme φest lipschitzienne, elle est continue, donc φ(xn)φ(ξ),et
puisque φ(xn) = xn+1 ξ, on en déduit par unicité de la limite que φ(ξ) = ξ. En combinant avec le a),
on voit que ξne dépend pas de x0,d’où le résultat annoncé.
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