MPSI 832ý
2015-2016 Devoir surveillé 5 : Que la force soit avec vous
On soignera la rédaction et on sera rigoureux et précis dans les raisonnements.Bien lire le sujet il y a des questions
indépendantes. Dans le cas d’utilisation d’abréviations merci de les définir en 1ère page.( pas plus de 5) Je ne lis pas
le crayon à papier les résultats doivent être soulignés La machine est interdite
Problème I : :Une equation fonctionnelle
On se propose de déterminer les applications f:R+R, continues sur R+et de classe C1sur R
+,et qui vérifient
l’équation fonctionnelle : x>0; f(x2) = f(x)2
Dans toute la suite, on suppose que fest une solution du problème.
1. (a) Montrer que f(x)>0pour tout xde R+.
(b) Déterminer les applications constantes solutions du problème.
2. Soit aun élément de ]0; 1[. On pose un=fa2n, pour tout nde N.
(a) Montrer que la suite (un)nNest convergente et préciser sa limite.
(b) Montrer que f(a)61.
(c) Montrer que si f(a)=1, alors fest constante sur [0; 1].
(d) Que dire de f(a)si fn’est pas constante sur [0; 1] ? Que vaut alors f(0) ?
3. Soit aun élément de R
+. On pose vn=fa2n, pour tout nde N.
(a) Montrer que la suite (vn)nNest convergente et préciser sa limite.
(b) Montrer que si f(a)=0, alors fest constante sur R+.
(c) On suppose que fn’est pas constante. Que vaut f(1) ?
4. Dans cette question, on suppose que l’application fn’est pas constante.
(a) Montrer que fne s’annule pas sur R
+.
(b) On définit une application gsur R
+par : x > 0, g(x) = xf0(x)
f(x)Exprimer g(x2)en fonction de g(x).
(c) Montrer que gest constante.
(d) En déduire toutes les solutions du problème initial. Parmi ces solutions, quelles sont celles qui sont déri-
vables à droite en 0 ?
Problème II :Théorème de point fixe de Picard
Le but ce problème est d’établir une version faible du théorème de point fixe de Picard :
Théorème (Picard)
Soit Iun intervalle fermé et f:II.
Si fest une fonction k-lipschitzienne avec k[0; 1[ (on dit que fest strictement contractante), alors
fadmet un unique point fixe adans I. De plus, pour tout u0dans I, la suite (un)nNdéfinie par un+1 =f(un)et
de premier terme u0converge vers a.
On rappelle que :
une fonction f:IRest k-lipschitzienne sur Isi : (x, y)I2,|f(x)f(y)|6k|xy|
un intervalle fermé désigne un segment [a;b]ou un intervalle non borné du type R,[a; +[ou ]− ∞;b].
Les trois sections de ce problème sont dans une large mesure indépendantes.
Première Partie : étude des hypothèses
1. 1-Lipschitzien insuffisant : On note fla fonction définie par f(x) = px2+ 1. On a f: [0; +[[0; +[
(a) Démontrer que fest 1-lipschitzienne sur [0,+[.
(b) Justifier qu’elle n’admet pourtant pas de point fixe dans [0; +[
.
2. Intervalle fermé nécessaire : Donner un exemple de fonction affine f:]0; 1[]0; 1[ strictement contractante
sur ]0; 1[, mais qui n’admet pas de point fixe dans ]0,1[.
1
Deuxième Partie :Preuve du théorème
Dans cette section uniquement, fdésigne une application vérifiant les hypothèses du théorème de Picard.
1. Démontrer que fadmet au plus un point fixe.
2. Démontrer qu’une fonction k-lipschitzienne sur Iest continue sur I.
3. Démontrer que si Iest un segment [a;b], alors fadmet un point fixe dans I.
4. On suppose dans cette question que I= [0,+[.
(a) Justifier que pour tout x > 0, on a f(x)6f(0) + kx.
(b) En déduire la limite de x7−f(x)xen +
(c) En déduire que fadmet un point fixe dans [0,+[.
Cette preuve se généralise facilement à tout intervalle fermé non borné, ce qui achève la preuve de l’existence
du point fixe dans le théorème de Picard.
5. On note al’unique point fixe de fdans Iet (un)nNla suite définie par un+1 =f(un)et de premier terme
u0I.
(a) Démontrer que :nN,|una|6kn|u0a|
(b) En déduire que la suite (un)nNconverge, préciser la limite.
Troisième Partie : Application aux points fixes attractifs
Dans cette section,f:IIest une fonction de classe C1et aIun point fixe de fattractif, c’est-à-dire vérifiant
|f0(a)|<1.
On note (un)nNla suite définie par un+1 =f(un)et de premier terme u0I
On suppose aussi que aest intérieur à I, c’est-à-dire que an’est pas une borne de I.
1. Démontrer en utilisant une définition «epsilonesque» de la continuité qu’il existe des réels k[0; 1[ et r > 0
tels que x[ar;a+r],|f0(x)|6k.
2. (a) En déduire que fest k-lipschitzienne sur l’intervalle J= [ar;a+r]puis que Jest stable par f.
(b) Que peut-on en déduire pour la suite (un)nN, si l’on prend u0dans J?
3. Cas d’un point fixe répulsif.
On suppose cette fois-ci que aun point fixe répulsif de f, c’est à dire un point fixe tel que |f0(a)|>1.
On suppose de plus que (un)nNn’est pas une suite stationnaire. Le but est de montrer que la suite (un)nN
ne converge pas vers a.
(a) Justifier que pour tout nN, un6=a.
(b) Démontrer que si la suite (un)nNconverge vers a, alors à partir d’un certain rang, la suite de terme
général |una|est croissante.
(on pourra étudier la limite de f(un)f(a)
una). Conclure.
Problème III :Dérivation
Les trois parties sont indépendantes.
Première partie
1. (a) Déterminer toutes les solutions de l’équation différentielle (E) (1 + x2)y0+ (2x1)y= 0
(b) On note f, la solution de (E) vérifiant f(0) = 1 : préciser l’expression de f(x).
(c) Justifier que fest de classe Csur R.
2. (a) Montrer que, nN, il existe une fonction polynomiale Pntelle que :xR, f (n)(x) = Pn(x)
(1 + x2)n+1 earctan(x)
On donnera la relation qui lie Pn+1, Pnet P0
n.
(b) Expliciter les polynômes P0, P1, P2.
(c) Prouver que, pour tout entier n Pnest de degré net que son coefficient dominant est (1)n(n+ 1)!
3. (a) A l’aide de (E)et la formule de Leibniz déterminer une autre relation liant Pn+1, Pnet Pn1(lorsque
n>1).
(b) En déduire que n>1, P 0
n=n(n+ 1)Pn1
Deuxième partie Soit f:]0; +[Rune application dérivable sur ]0; +[.
1. On suppose que lim
+f0=lavec lréel strictement positif.
2
(a) Démontrer que : A > 0,x>A, f 0(x)>l
2
(b) En déduire, que x>A, f(x)>l
2(xA) + f(A).(On pourra utiliser le théorème des accroissements
finis)
(c) Déterminer lim
+f
2. On suppose que lim
x+(xf0(x)) = 1 et que f0est continue sur ]0; +[.
(a) Démontrer que : A > 0,x>A, f 0(x)>1
2x
(b) En déduire que x>A, f(x)>1
2(ln(x)ln(A)) + f(A)
(c) Déterminer lim
+f
3. On suppose que lim
+f0= 0. Que peut-on dire concernant lim
+f?
4. On suppose que lim
+f= 0. Que peut-on dire concernant lim
+f0?
5. On suppose que lim
+f0= +
(a) Montrer que fpossède une limite en +.
(b) Déterminer cette limite.
Troisième partie On ne traitera cette partie que si tout le reste a été fait.
On considère une application fde Rdans Rcontinue en 0.
Démontrer l’équivalence entre les deux assertions suivantes :
fest dérivable en 0
lim
x0f(2x)f(x)
xexiste et est finie
3
1 / 3 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !