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Itération de fonctions croissantes et points fixes

Soit f:[0,1]→[0,1]f : [0,1] \to [0,1] une fonction continue et croissante. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on note fn=f∘f∘⋯∘ff_n = f \circ f \circ \dots \circ f la nn-ième itérée de ff.

  1. Justifier que pour tout x∈[0,1]x \in [0,1], la suite (fn(x))n∈N∗(f_n(x))_{n \in \mathbb{N}^*} converge vers un point fixe de ff.
  2. On note gg la limite simple de la suite (fn)(f_n). Exprimer g(x)g(x) à l'aide de l'ensemble Fix(f)={s∈[0,1]∣f(s)=s}Fix(f) = \{s \in [0,1] \mid f(s) = s\}.
  3. Déterminer les sous-ensembles de [0,1][0,1] sur lesquels la convergence de (fn)(f_n) vers gg est uniforme.

1.

Étudier la monotonie de la suite (fn(x))(f_n(x)) en comparant f(x)f(x) et xx.

2.

Pour la limite, noter que Fix(f)Fix(f) est un fermé non vide de [0,1][0,1]. Distinguer les cas f(x)⩾xf(x) \geqslant x et f(x)⩽xf(x) \leqslant x.

3.

Utiliser le deuxième théorème de Dini ou étudier la continuité de la fonction limite gg.

Idées clés

•

Monotonie des itérées pour une fonction croissante.

•

Stabilité de l'ordre par passage à la limite.

•

Lien entre continuité de la limite et convergence uniforme (Théorème de Dini).

Résolution.

  1. Soit x∈[0,1]x \in [0,1]. Comparons xx et f(x)f(x). Si f(x)⩾xf(x) \geqslant x, alors par croissance de ff, on a f(f(x))⩾f(x)f(f(x)) \geqslant f(x), soit f2(x)⩾f1(x)f_2(x) \geqslant f_1(x). Par une récurrence immédiate, on montre que fn+1(x)⩾fn(x)f_{n+1}(x) \geqslant f_n(x). La suite (fn(x))(f_n(x)) est donc croissante. Comme elle est majorée par 1, elle converge vers une limite g(x)∈[0,1]g(x) \in [0,1]. Si f(x)⩽xf(x) \leqslant x, on montre de même par croissance de ff que la suite (fn(x))(f_n(x)) est décroissante et minorée par 0, donc elle converge vers une limite g(x)∈[0,1]g(x) \in [0,1]. Dans les deux cas, la continuité de ff permet de passer à la limite dans la relation fn+1(x)=f(fn(x))f_{n+1}(x) = f(f_n(x)), ce qui donne :
    g(x)=f(g(x))\boxed{g(x) = f(g(x))}
    Ainsi, g(x)g(x) est un point fixe de ff.

  2. L'ensemble Fix(f)Fix(f) est le noyau de x↦f(x)−xx \mapsto f(x)-x. Par continuité, c'est un fermé de [0,1][0,1]. De plus, f(0)⩾0f(0) \geqslant 0 et f(1)⩽1f(1) \leqslant 1, donc par le théorème des valeurs intermédiaires, Fix(f)Fix(f) est non vide. Soit x∈[0,1]x \in [0,1]. Si f(x)⩾xf(x) \geqslant x, (fn(x))(f_n(x)) croît vers g(x)∈Fix(f)g(x) \in Fix(f). Comme pour tout nn, fn(x)⩽g(x)f_n(x) \leqslant g(x), et que pour tout point fixe s>xs > x, fn(x)f_n(x) ne peut pas "dépasser" ss (par croissance de ff), la limite g(x)g(x) est le plus petit point fixe supérieur ou égal à xx. De même, si f(x)⩽xf(x) \leqslant x, g(x)g(x) est le plus grand point fixe inférieur ou égal à xx. En résumé :
    g(x)={inf⁡{s∈Fix(f)∣s⩾x}si f(x)⩾xsup⁡{s∈Fix(f)∣s⩽x}si f(x)⩽x\boxed{g(x) = \begin{cases} \inf \{s \in Fix(f) \mid s \geqslant x\} & \text{si } f(x) \geqslant x
    \sup \{s \in Fix(f) \mid s \leqslant x\} & \text{si } f(x) \leqslant x \end{cases}}

  3. La convergence est uniforme sur tout intervalle I⊂[0,1]I \subset [0,1] tel que la restriction de gg à II soit continue. En effet, les fonctions fnf_n sont continues et la convergence (fn(x))(f_n(x)) est monotone pour chaque xx (soit croissante, soit décroissante). Le second théorème de Dini (souvent appelé théorème de Dini pour les fonctions monotones) assure que sur un segment [a,b][a,b], la convergence simple d'une suite de fonctions continues vers une limite continue est uniforme si la suite est monotone. Si gg est discontinue en x0x_0, la convergence ne peut être uniforme sur aucun voisinage de x0x_0. Conclusion : La convergence est uniforme sur tout intervalle fermé où gg est continue.

Ne pas oublier que la limite g(x) dépend de la position de x par rapport aux différents points fixes.

Pour une fonction continue croissante, la suite des itérées converge toujours simplement vers un point fixe.