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Soit f:I→Rf : I \to \mathbb{R} une fonction définie sur un intervalle II contenant 00. On suppose que ff est continue en 00.

On définit pour tout x∈I∖{0}x \in I \setminus \{0\} tel que 2x∈I2x \in I, la fonction :

Δ(x)=f(2x)−f(x)x\Delta(x) = \frac{f(2x) - f(x)}{x}

On suppose que Δ\Delta admet une limite finie ℓ\ell lorsque xx tend vers 00.

  1. Montrer que pour tout x≠0x \neq 0 assez petit, le taux d'accroissement de ff entre 00 et xx peut s'écrire comme la somme d'une série :
    f(x)−f(0)x=∑k=1+∞12kΔ(x2k)\frac{f(x) - f(0)}{x} = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right)
  2. En déduire que la fonction ff est dérivable en 00 et déterminer la valeur de f′(0)f'(0).

1.

Pour la question 1, commencer par exprimer f(x)−f(x/2n)f(x) - f(x/2^n) comme une somme télescopique en faisant apparaître des termes de la forme f(2t)−f(t)f(2t) - f(t) avec t=x/2kt = x/2^k. Utiliser ensuite la continuité de ff en 00.

2.

Pour la question 2, utiliser l'expression obtenue sous forme de série et appliquer un argument de limite sous le signe somme (ou un raisonnement en ε\varepsilon-δ\delta) en exploitant la convergence de la série géométrique ∑12k\sum \frac{1}{2^k}.

Idées clés

•

Somme télescopique pour lier f(x)f(x) et f(x/2n)f(x/2^n).

•

Utilisation cruciale de la continuité en 00 pour faire tendre x/2nx/2^n vers 00.

•

Interversion limite-somme pour une série de fonctions ou encadrement par la somme d'une série géométrique.

Résolution.

  1. Expression du taux d'accroissement sous forme de série.

    Soit x∈I∖{0}x \in I \setminus \{0\} tel que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, x/2n∈Ix/2^n \in I. Pour tout entier k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, on utilise la définition de Δ\Delta au point t=x2kt = \frac{x}{2^k} :

    Δ(x2k)=f(2⋅x2k)−f(x2k)x2k=f(x2k−1)−f(x2k)x2k\Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) = \frac{f\left(2 \cdot \frac{x}{2^k}\right) - f\left(\frac{x}{2^k}\right)}{\frac{x}{2^k}} = \frac{f\left(\frac{x}{2^{k-1}}\right) - f\left(\frac{x}{2^k}\right)}{\frac{x}{2^k}}

    On peut réécrire cette égalité sous la forme :

    12kΔ(x2k)=f(x2k−1)−f(x2k)x\frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) = \frac{f\left(\frac{x}{2^{k-1}}\right) - f\left(\frac{x}{2^k}\right)}{x}

    Sommons cette relation pour kk allant de 11 à nn (où n∈N∗n \in \mathbb{N}^*) :

    ∑k=1n12kΔ(x2k)=1x∑k=1n(f(x2k−1)−f(x2k))\sum_{k=1}^n \frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) = \frac{1}{x} \sum_{k=1}^n \left( f\left(\frac{x}{2^{k-1}}\right) - f\left(\frac{x}{2^k}\right) \right)

    La somme à droite est télescopique. Elle se simplifie immédiatement :

    ∑k=1n12kΔ(x2k)=f(x)−f(x/2n)x\sum_{k=1}^n \frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) = \frac{f(x) - f(x/2^n)}{x}

    Puisque ff est supposée continue en 00, nous savons que :

    lim⁡n→+∞f(x2n)=f(0)\lim_{n \to +\infty} f\left(\frac{x}{2^n}\right) = f(0)

    En passant à la limite quand n→+∞n \to +\infty dans l'égalité précédente, la somme partielle converge, et nous obtenons :

    f(x)−f(0)x=∑k=1+∞12kΔ(x2k)\boxed{ \frac{f(x) - f(0)}{x} = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) }

  2. Démonstration de la dérivabilité en 00.

    Posons g(x)=f(x)−f(0)xg(x) = \frac{f(x) - f(0)}{x}. Nous voulons montrer que lim⁡x→0g(x)=ℓ\lim_{x \to 0} g(x) = \ell.

    Soit ε>0\varepsilon > 0. Par hypothèse, Δ(u)→ℓ\Delta(u) \to \ell quand u→0u \to 0. Il existe donc δ>0\delta > 0 tel que pour tout u∈I∖{0}u \in I \setminus \{0\} :

    ∣u∣<δ  ⟹  ∣Δ(u)−ℓ∣<ε|u| < \delta \implies |\Delta(u) - \ell| < \varepsilon

    Soit xx tel que 0<∣x∣<δ0 < |x| < \delta. Alors pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, on a ∣x2k∣<δ\left| \frac{x}{2^k} \right| < \delta, ce qui implique :

    ∣Δ(x2k)−ℓ∣<ε\left| \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) - \ell \right| < \varepsilon

    Utilisons maintenant l'expression de g(x)g(x) établie à la question précédente et le fait que ∑k=1+∞12k=1\sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} = 1 :

    g(x)−ℓ=∑k=1+∞12kΔ(x2k)−ℓ(∑k=1+∞12k)g(x) - \ell = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) - \ell \left( \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \right)

    Par linéarité de la somme (pour des séries convergentes) :

    g(x)−ℓ=∑k=1+∞12k(Δ(x2k)−ℓ)g(x) - \ell = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \left( \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) - \ell \right)

    En appliquant l'inégalité triangulaire :

    ∣g(x)−ℓ∣≤∑k=1+∞12k∣Δ(x2k)−ℓ∣≤∑k=1+∞12kε=ε|g(x) - \ell| \leq \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \left| \Delta\left(\frac{x}{2^k}\right) - \ell \right| \leq \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{2^k} \varepsilon = \varepsilon

    On a donc montré que pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe δ>0\delta > 0 tel que ∣x∣<δ|x| < \delta entraîne ∣g(x)−ℓ∣≤ε|g(x) - \ell| \leq \varepsilon. Ceci prouve que lim⁡x→0g(x)=ℓ\lim_{x \to 0} g(x) = \ell.

    La fonction ff est donc dérivable en 00 et :

    f′(0)=ℓ\boxed{ f'(0) = \ell }

Oublier l'hypothèse de continuité en 0 pour le passage à la limite dans la somme télescopique.

Expression d'un taux d'accroissement par une série de différences finies.