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Soit g:[1,1]Rg : [-1, 1] \to \mathbb{R} la fonction définie par :

x[1,1]{0},g(x)=x2sin(1x)etg(0)=0\forall x \in [-1, 1] \setminus \{0\},   g(x) = x^2 \sin\left(\frac{1}{x}\right)   \text{et}   g(0) = 0

  1. Montrer que la fonction gg est dérivable sur l'intervalle [1,1][-1, 1]. Étudier la continuité de sa dérivée gg' sur cet intervalle.
  2. Soit (qn)nN(q_n)_{n \in \mathbb{N}^*} une suite d'éléments de [0,1][0, 1] constituant une énumération des nombres rationnels de [0,1][0, 1]. On considère la fonction ff définie sur [0,1][0, 1] par :
    f(x)=n=1+g(xqn)n2f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{g(x-q_n)}{n^2}
    Justifier que ff est dérivable sur [0,1][0, 1] et démontrer que sa dérivée ff' est continue en tout point irrationnel de [0,1][0, 1], mais discontinue en tout point rationnel de [0,1][0, 1].

1.

Pour la question 1, utiliser la définition du nombre dérivé en 0 (taux d'accroissement).

2.

Pour la question 2, appliquer le théorème de dérivation terme à terme pour les séries de fonctions en vérifiant la convergence normale de la série des dérivées.

3.

Pour la continuité de ff', isoler le terme de la série correspondant à une éventuelle discontinuité.

Idées clés

Dérivabilité par le taux d'accroissement en un point critique.

Théorème de dérivation des séries de fonctions (convergence uniforme de la série des dérivées).

Propriété de conservation de la continuité par convergence uniforme.

Résolution.

  1. Étude de la fonction gg. Pour x0x \neq 0, gg est le produit et la composée de fonctions de classe CC^\infty, donc gg est dérivable sur [1,0[]0,1][-1, 0[ \cup ]0, 1]. On a :
    x0,g(x)=2xsin(1x)cos(1x)\forall x \neq 0,   g'(x) = 2x \sin\left(\frac{1}{x}\right) - \cos\left(\frac{1}{x}\right)
    En x=0x=0, étudions le taux d'accroissement :
    g(h)g(0)h=h2sin(1/h)h=hsin(1h)\frac{g(h) - g(0)}{h} = \frac{h^2 \sin(1/h)}{h} = h \sin\left(\frac{1}{h}\right)
    Comme sin(1/h)1|\sin(1/h)| \le 1, on a hsin(1/h)h|h \sin(1/h)| \le |h|, d'où par encadrement :
    limh0g(h)g(0)h=0\lim_{h \to 0} \frac{g(h) - g(0)}{h} = 0
    Ainsi, gg est dérivable en 00 et g(0)=0\boxed{g'(0) = 0}. Continuité de gg' : gg' est continue sur [1,1]{0}[-1, 1] \setminus \{0\} par opérations usuelles. Cependant, la fonction xcos(1/x)x \mapsto \cos(1/x) n'admet pas de limite en 0. Comme 2xsin(1/x)02x \sin(1/x) \to 0 quand x0x \to 0, g(x)g'(x) n'a pas de limite en 0.
    g est discontinue uniquement en 0\boxed{g' \text{ est discontinue uniquement en } 0}

  2. Étude de la fonction ff.

    Rappelons que Q[0,1]\mathbb{Q} \cap [0, 1] est dénombrable et infini, il existe donc bien une bijection nqnn \mapsto q_n de N\mathbb{N}^* vers Q[0,1]\mathbb{Q} \cap [0, 1]. Posons un(x)=g(xqn)n2u_n(x) = \frac{g(x-q_n)}{n^2} pour x[0,1]x \in [0, 1]. Chaque unu_n est dérivable sur [0,1][0, 1] d'après la question précédente, et un(x)=g(xqn)n2u_n'(x) = \frac{g'(x-q_n)}{n^2}. Convergence de la série : On a g(x)=x2sin(1/x)1|g(x)| = |x^2 \sin(1/x)| \le 1 sur [1,1][-1, 1]. Ainsi, un1n2\|u_n\|_\infty \le \frac{1}{n^2}, ce qui assure la convergence normale (et donc simple) de un\sum u_n sur [0,1][0, 1]. Convergence de la série des dérivées : On a vu que g(x)=2xsin(1/x)cos(1/x)g'(x) = 2x \sin(1/x) - \cos(1/x) pour x0x \neq 0 et g(0)=0g'(0)=0. Sur l'intervalle d'étude, g(x)2x+13|g'(x)| \le 2|x| + 1 \le 3 car x[1,1]x \in [-1, 1]. Ainsi, x[0,1]\forall x \in [0, 1] :

    un(x)3n2|u_n'(x)| \le \frac{3}{n^2}
    La série un\sum u_n' converge normalement sur [0,1][0, 1]. D'après le théorème de dérivation des séries de fonctions, ff est dérivable sur [0,1][0, 1] et :
    x[0,1],f(x)=n=1+g(xqn)n2\boxed{\forall x \in [0, 1],   f'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{g'(x-q_n)}{n^2}}

    Continuité de ff' : Soit x0[0,1]Qx_0 \in [0, 1] \setminus \mathbb{Q}. Pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, x0qn0x_0 - q_n \neq 0. Comme gg' est continue sur R\mathbb{R}^*, chaque fonction xg(xqn)x \mapsto g'(x-q_n) est continue en x0x_0. Par convergence normale (donc uniforme) de la série de fonctions un\sum u_n', la somme ff' est continue en x0x_0. Soit maintenant x0=qkQx_0 = q_k \in \mathbb{Q}. On peut décomposer la somme :

    f(x)=g(xqk)k2+nkg(xqn)n2f'(x) = \frac{g'(x-q_k)}{k^2} + \sum_{n \neq k} \frac{g'(x-q_n)}{n^2}
    Notons H(x)=nkg(xqn)n2H(x) = \sum_{n \neq k} \frac{g'(x-q_n)}{n^2}. Pour tout nkn \neq k, qnqkq_n \neq q_k, donc xg(xqn)x \mapsto g'(x-q_n) est continue en qkq_k. Par convergence uniforme de cette série (reste d'une série normalement convergente), HH est continue en qkq_k. Cependant, xg(xqk)k2x \mapsto \frac{g'(x-q_k)}{k^2} est discontinue en qkq_k (car gg' est discontinue en 0). Par somme d'une fonction continue et d'une fonction discontinue, f est discontinue en qk\boxed{f' \text{ est discontinue en } q_k}.

Confusion entre convergence uniforme et continuité de la limite quand les termes sont discontinus.

La continuité de la somme d'une série uniformément convergente dépend de la continuité locale de chaque terme.