MPSI Lyc´
ee Rabelais Semaine du 7 f´evrier 2007
Fonctions continues sur un intervalle
Continuit´e, prolongements par continuit´e
Exercice 1 : Etudiez la continuit´e des fonctions suivantes :
1. f(x) =
ex1 si x < 0
0 si x= 0
xln x+xsi x > 0
2. f(x) = (ln(1 + x)
xsi x > 0
0 si x= 0
3. f(x) =
exp 1
1xsi x > 1
0 si x1
Exercice 2 : Etudiez la continuit´e et l’existence de prolongements par continuit´e
des fonctions suivantes :
1. f(x) = 1
x2+ 3x+ 2 si x?
2. f(x) = x2ex
1exsi x6= 0
3. f(x) = cos x1
x2si x6= 0
4. f(x) = x+ 1 x
xsi x > 0
5. f(x) = (ex+ 2x)
1
xsi x > 0
6. f(x) = 1 + 5
3x2x2
si x6= 0
Exercice 3 : On consid`ere la fonction f:RRefinie par
xR, f(x) = bxc+px− bxc
Montrez que fest continue sur R
Continuit´e uniforme, fonctions Lipschitziennes
Exercice 4 : Montrez que la fonction f:R+Refinie par xR+,f(x) = x2
n’est pas uniform´ement continue.
Exercice 5 : Montrez que ln : R+?Rn’est pas uniform´ement continue.
Exercice 6 : Soit f:R+Rla fonction racine carr´ee, d´efinie par xR+
f(x) = x.
1. Montrez que (x, y)R+×R+,x+yx+y. D´eduisez-en que
(x, y)R+×R+,|xy| ≤ p|xy|
2. Montrez que fest uniform´ement continue sur R+.
3. fest-elle lipschitzienne ?
Exercice 7 : Soit f:R+Rune fonction uniform´ement continue sur R+. Montrez
que fest major´ee par une fonction affine.
Exercice 8 : Soient f, g deux fonctions continues de [1,1] dans R.
On d´efinit pour tout xRla fonction
M(x) = sup
t[1,1] f(t) + x g(t)
1. Montrez que M:RRest bien d´efinie.
2. Montrez que h0, xR,M(x+h)M(x) + hsup
[1,1]
g.
3. Montrez que h0, xR,M(x+h)M(x) + hinf
[1,1] g.
4. En d´eduire que M:RRest continue.
Exercice 9 : soit qQ?un nombre rationnel non nul.
1. Montrez que H={qm + 2kπ ; (m, k)Z2}est un sous-groupe dense de
(R,+).
2. Montrez que {cos(qn), n N}est dense dans [1,1].
3. En d´eduire que pour tout `[1,1], il existe une suite extraite de cos(nq)
convergente de limite `.
Propri´et´es fondamentales des fonctions continues
Exercice 10 : Soit f:IZune fonction continue sur un intervalle, `a valeurs dans
Z. Montrez que fest constante.
1
Exercice 11 : Soient f, g :IR?deux fonctions continues non nulles sur un
intervalle Itelles que xI,|f(x)|=|g(x)|. Montrez que f=gou f=g.
Exercice 12 : Soit f: [0,1[Rla fonction d´efinie par
x[0,1[, f(x) = xsin 1
1x
1. Calculez pour tout entier naturel l’image par fde xn= 1 2
(4n+ 1)πet
yn= 1 2
(4n+ 3)π.
2. D´eduisez-en f([0,1[).
Exercice 13 : Soient f: [a, b]Rune fonction continue telle que f(a)6=f(b), u
et vdeux nombres r´eels strictement positifs. Montrez qu’il existe c]a, b[ tel que
uf(a) + vf(b) = (u+v)f(c)
Exercice 14 : Th´eor`emes de points fixes
Soit f: [a, b][a, b] une fonction d´efinie sur un intervalle stable.
1. On suppose que fest croissante. D´emontrez qu’il existe α[a, b] tel que
f(α) = α.
2. On suppose que fest continue. D´emontrez qu’il existe α[a, b] tel que
f(α) = α.
3. On suppose que (x, x0)[a, b]2,x6=x0⇒ |f(x)f(x0)|<|xx0|.
(a) D´emontrez que fest continue en tout point de [a, b].
(b) D´emontrez que l’´equation f(x) = xposs`ede une unique solution dans
[a, b].
Exercice 15 : Soit f: [0,1] [0,1] une fonction continue telle que f(0) = f(1).
1. Montrez que l’´equation f(x+1
2) = f(x) poss`ede au moins une racine.
2. Montrez que pour tout entier pN?, l’´equation f(x+1
p) = f(x) poss`ede au
moins une racine.
Exercice 16 : Soit f:RRd´efinie par xR,f(x) = ln(1 + ex).
1. Montrez que fealise une bijection de Rsur f(R).
2. D´eterminez f(R) et f1.
Exercice 17 : Soit f:RRla fonction d´efinie par xR, f(x) = x
1 + |x|.
1. Montrez que fealise une bijection de Rsur f(R).
2. Explicitez f(R) et f1.
Exercice 18 : On consid`ere la fonction f:R+?R
x7→ x2 + ln x
.
1. Montrez que fealise une bijection de R+?sur R. Etudiez l’application
r´eciproque gde f: continuit´e, monotonie, limites aux bornes de l’intervalle.
2. Montrez que l’´equation f(x) = 0 admet une unique solution dans R+?,
not´ee α.
3. Etudiez la limite lim
x+
f(x)
x. D´eduisez-en lim
t+
f(g(t))
g(t)puis un ´equivalent
de gau voisinage de +.
Exercice 19 : Soit f:R+Rune fonction continue et `Rtelles que
lim
x+f(x) = `. Montrez que fest born´ee.
Exercice 20 : Soit f:RRune fonction continue. Etudiez lim
x+
f(sin x)
x.
2
Indications et corrections
3
Exercices suppl´ementaires
Th´eor`emes de points fixes
Exercice 21 : Un train parcourt 120 kilom`etres en trois heures. Montrez qu’il existe
un intervalle d’une heure pendant lequel il parcourt exactement 40 km.
Exercice 22 : Soit f: [0,1] [0,1] une fonction continue telle que f(0) = f(1).
D´emontrez qu’il existe c[0,1
2] tel que f(c) = f(c+1
2).
Exercice 23 : Th´eor`eme de point fixe
Soit (a, b)R2tels que ab, et f: [a, b][a, b] une fonction continue.
Montrez que fposs`ede au moins un point fixe dans [a, b].
Exercice 24 : Th´eor`eme de point fixe
Soit f:R+Rune fonction continue.
On suppose qu’il existe `[0,1[ telle que lim
x+
f(x)
x=`. Montrez que fposs`ede
au moins un point fixe.
Exercice 25 : Soit f:RRune fonction continue telle que lim
x+f(x) =
lim
x→−∞ f(x) = +.
Montrez que fposs`ede un minimum sur R.
Exercice 26 : Soit f:R+Rune fonction continue et `Rtelles que
lim
x+f(x) = `.
Montrez que fest born´ee.
Exercice 27 : Soit f:RRune fonction strictement contractante dans le sens
qu’il existe une constante k]0,1[ telle que :
(x, y)R2,|f(x)f(y)| ≤ k|xy|
1. Montrez que l’application x7→ f(x)xealise une bijection de Rsur R. En
d´eduire que fadmet un unique point fixe `.
2. Montrez que pour tout r´eel a, la suite (un) d´efinie par u0=aet la relation
de r´ecurrence
nN, un+1 =f(un)
converge vers `.
Exercice 28 : Soit f;RRune fonction continue telle que
(x, y)R2,|f(x)f(y)| ≥ |xy|
1. Montrez que fest strictement monotone sur R.
2. Prouvez que fest une bijection de Rsur lui-mˆeme.
3. Soit F ix ={xR|f(x) = x}. Montrez que F ix est l’ensemble vide ou un
intervalle ferm´e de R.
4. On suppose que fcroˆıt et qu’il existe (a, b)R2tel que f([a, b]) [a, b].
Montrez que [a, b]F ix.
5. On suppose que fd´ecroˆıt. Montrez que F ix est r´eduit `a un singleton.
Equations fonctionnelles
Exercice 29 : Soit f:RRune fonction continue v´erifiant :
(x, y)R2, f(x+y) = f(x) + f(y)
D´eterminez fsur N, puis sur Qet enfin sur R.
Exercice 30 : Soit f:RRune fonction continue v´erifiant :
(x, y)R2, f x+y
2=f(x) + f(y)
2
Montrez que fest affine : il existe (a, b)R2tel que xR,f(x) = ax +b.
Indication : commencez par ´etudier le cas o`u f(0) = f(1) = 0.
Exercice 31 : Trouvez toutes les fonctions f:RRcontinues telles que
(x, y)R2, f(x+y)×f(xy) = f2(x)×f2(y)
Exercice 32 : Trouvez toutes les fonctions f:RRcontinues telles que
(x, y)R2, f(x+y) = f(x) + f(y)
1 + f(x)f(y)
Exercice 33 : Trouvez toutes les fonctions f:RRcontinues telles que
(x, y)R2, f(x+y) = f(x)p1 + f2(x) + f(y)p1 + f2(x)
4
Th´eor`eme de la bijection
Exercice 34 : On consid`ere la fonction :
f:R+?R
x7→ x2 + ln x
1. Calculez f(1) et f(3). Que peut-on en d´eduire pour l’´equation f(x) = 0 ?
2. D´emontrez que l’´equation f(x) = 0 poss`ede une unique solution dans R+?,
not´ee α.
3. Montrez que fr´ealise un bijection de R+?sur R. Etudiez l’application
r´eciproque gde f: continuit´e, tableau de variations et limites aux bornes.
4. D´eterminez lim
x+
f(x)
x. En d´eduire lim
t+
f(g(t))
g(t)puis un ´equivalent de gau
voisinage de +.
Exercice 35 : Soit f:IRune fonction continue sur un intervalle Ide R.
On suppose que fr´ealise une bijection de l’intervalle Ide Rsur J.
1. Montrez que fest strictement monotone sur R.
Indication vous pourrez raisonner par l’absurde et supposer l’existence
d’aun triplet (a, b, c)I3tels que a < b < c mais tels que f(b)/
]f(a), f(c)[]f(c), f(a)[.
2. D´eduisez-en que l’application r´eciproque f1:JIde fest continue sur
J.
Continuit´e uniforme, fonctions Lipschitziennes
Exercice 36 : Soit f:R+Rune fonction continue. On suppose qu’il existe `R
tel que lim
x+f(x) = `.
1. Montrez que fest uniform´ement continue sur R+.
2. Enoncez et d´emontrez un r´esultat semblable pour les fonctions continues sur
R.
Exercice 37 : Soit f:R+Rune fonction continue.
1. Montrez qu’il existe (α, β)R2tel que xR+,f(x)αx +β.
2. Montrez que la r´eciproque est fauss.
Indication : vous pourrez consid´erer la fonction x7→ xsin xet calculer
f(2kπ +h)f(2).
Miscellaneous
Exercice 38 : Soit f: [a, +[Rune fonction continue. On suppose qu’il existe
`Ret rR+?tels que
lim
x+f(x+r)f(x) = `
Montrez que lim
x+
f(x)
x=`
r.
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