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Soit AA une partie dénombrable de R\mathbb{R}.

Démontrer qu'il existe une fonction f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} continue sur R\mathbb{R} telle que l'ensemble de ses points de non-dérivabilité soit exactement AA.

1.

Commencer par traiter le cas où AA est une énumération {an,nN}\{a_n, n \in \mathbb{N}\}.

2.

Construire d'abord une fonction monotone gg dont l'ensemble des points de discontinuité est AA.

3.

Considérer une primitive de cette fonction gg et utiliser le lien entre la continuité d'une fonction monotone et la dérivabilité de sa primitive.

Idées clés

Construction par série de fonctions (sauts de discontinuité).

Lien entre dérivées à droite/gauche et limites à droite/gauche pour une fonction monotone.

Théorème de la limite de la dérivée (ou prolongement de la dérivée).

Résolution.

  1. Construction d'une fonction auxiliaire monotone. Quitte à considérer une partie de AA ou à rajouter des points si AA est fini, on suppose A={an,nN}A = \{a_n, n \in \mathbb{N} \}. On définit pour tout nNn \in \mathbb{N} la fonction "échelon" unu_n par :
    un(x)={0si xan1si x>anu_n(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x \le a_n
    1 & \text{si } x > a_n \end{cases}
    On définit alors la fonction gg sur R\mathbb{R} par la série :
    g(x)=n=012nun(x)g(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{2^n} u_n(x)
    Cette série converge normalement sur R\mathbb{R} car pour tout xx, 12nun(x)12n| \frac{1}{2^n} u_n(x) | \le \frac{1}{2^n}, terme général d'une série géométrique convergente.
  2. Propriétés de gg. Comme chaque unu_n est croissante, gg est croissante. De plus, pour tout xRx \in \mathbb{R}, gg admet des limites à droite et à gauche en xx. Par convergence normale :
    g(x+)g(x)=n=012n(un(x+)un(x))g(x^+) - g(x^-) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{2^n} (u_n(x^+) - u_n(x^-))
    Or, un(x+)un(x)=1u_n(x^+) - u_n(x^-) = 1 si x=anx = a_n et 00 sinon. Ainsi :
    g(x+)g(x)=n:an=x12n\boxed{ g(x^+) - g(x^-) = \sum_{n: a_n = x} \frac{1}{2^n} }
    Ce saut est strictement positif si et seulement si xAx \in A. Donc l'ensemble des points de discontinuité de gg est exactement AA.

  3. Construction de la fonction ff. Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par :
    f(x)=0xg(t)dt\boxed{ f(x) = \int_0^x g(t)   dt }
    Par définition d'une intégrale à borne variable, ff est continue sur R\mathbb{R}. Puisque gg est monotone, elle est localement intégrable. Pour tout xRx \in \mathbb{R}, le taux d'accroissement de ff à droite tend vers g(x+)g(x^+) et à gauche vers g(x)g(x^-). En effet, pour h>0h > 0 :
    f(x+h)f(x)h=1hxx+hg(t)dt\frac{f(x+h)-f(x)}{h} = \frac{1}{h} \int_x^{x+h} g(t)   dt
    Par croissance de gg, on a pour t]x,x+h]t \in ]x, x+h], g(x+)g(t)g(x+h)g(x^+) \le g(t) \le g(x+h). En intégrant, on obtient :
    g(x+)f(x+h)f(x)hg(x+h)g(x^+) \le \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \le g(x+h)
    Par limite quand h0+h \to 0^+, on trouve fd(x)=g(x+)f'_d(x) = g(x^+). De même, fg(x)=g(x)f'_g(x) = g(x^-).

  4. Conclusion sur la dérivabilité. La fonction ff est dérivable en xx si et seulement si ses dérivées à droite et à gauche coïncident :
    fd(x)=fg(x)    g(x+)=g(x)f'_d(x) = f'_g(x) \iff g(x^+) = g(x^-)
    Ceci est vrai si et seulement si gg est continue en xx. D'après l'étude précédente, cela équivaut à xAx \notin A.
    L’ensemble des points de non-deˊrivabiliteˊ de f est A.\boxed{ \text{L'ensemble des points de non-dérivabilité de } f \text{ est } A. }

Utiliser une série de valeurs absolues sans gérer la dérivabilité des termes restants.

Intégrer une fonction de saut pour créer des cusps de non-dérivabilité.