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Soit (fn)(f_n) la suite de fonctions définie sur R+\mathbb{R}^{+} par :

f0(x)=xetnN, fn+1(x)=x2+fn(x)f_0(x) = x   \text{et}   \forall n \in \mathbb{N}, \ f_{n+1}(x) = \frac{x}{2 + f_n(x)}

  1. Déterminer la limite simple ff_\infty de la suite (fn)(f_n) sur R+\mathbb{R}^{+}.
  2. La convergence est-elle uniforme sur R+\mathbb{R}^{+} ?
  3. Démontrer que la convergence est uniforme sur tout segment [0,a][0, a] avec a>0a > 0.

1.

Chercher les points fixes de L=x2+LL = \frac{x}{2+L}.

2.

Étudier la différence fn(x)f(x)|f_n(x) - f_\infty(x)| en utilisant la forme homographique.

3.

Pour la non-uniformité sur R+\mathbb{R}^+, regarder le comportement en ++\infty.

Idées clés

Point fixe d'une homographie dépendant d'un paramètre xx

Étude de la convergence uniforme sur les compacts

Analyse de l'écart à l'infini

Résolution.

  1. Fixons x0x \ge 0. Les points fixes de zx2+zz \mapsto \frac{x}{2+z} sont solutions de L2+2Lx=0L^2 + 2L - x = 0. Les racines sont L1=1+x1L_1 = \sqrt{1+x}-1 and L2=1+x1L_2 = -\sqrt{1+x}-1. Comme fn(x)0f_n(x) \ge 0 pour tout nn, la seule limite possible est :
    f(x)=1+x1\boxed{f_\infty(x) = \sqrt{1+x} - 1}

  2. À nn fixé, fnf_n est une fonction rationnelle. On remarque que fn(x)xf_n(x) \sim \sqrt{x} quand x+x \to +\infty est faux. En réalité, fn(x)f_n(x) se comporte comme une fraction rationnelle. Pour xx grand, f(x)xf_\infty(x) \sim \sqrt{x}. f0(x)=xf_0(x) = x (non borné). f1(x)=x2+x1f_1(x) = \frac{x}{2+x} \to 1. La différence f1(x)f(x)|f_1(x) - f_\infty(x)| tend vers ++\infty en ++\infty.
    La convergence n’est pas uniforme sur R+\boxed{\text{La convergence n'est pas uniforme sur } \mathbb{R}^+}

  3. Sur [0,a][0, a], utilisons gn(x)=fn(x)L1fn(x)L2g_n(x) = \frac{f_n(x) - L_1}{f_n(x) - L_2}. On montre comme dans l'exercice 2 que gn+1(x)=gn(x)2+L22+L1=gn(x)11+x1+1+xg_{n+1}(x) = g_n(x) \frac{2+L_2}{2+L_1} = g_n(x) \frac{1-\sqrt{1+x}}{1+\sqrt{1+x}}. Posons ρ(x)=1+x11+x+1\rho(x) = \left| \frac{\sqrt{1+x}-1}{\sqrt{1+x}+1} \right|. Sur [0,a][0, a], ρ(x)ρ(a)<1\rho(x) \le \rho(a) < 1. Alors gn(x)ρ(a)ng0(x)|g_n(x)| \le \rho(a)^n |g_0(x)|. L'écart fnff_n - f_\infty est proportionnel à gng_n, ce qui assure la convergence uniforme sur [0,a][0, a].

Divergence de l'écart à l'infini

Convergence uniforme sur les compacts