Soit f:[0,1]Rf : [0,1] \to \mathbb{R} une fonction continue.

  1. On suppose que pour toute fonction gC1([0,1],R)g \in \mathcal{C}^{1}([0,1], \mathbb{R}) vérifiant g(0)=g(1)g(0)=g(1), on a :
    01f(t)g(t)dt=0\int_{0}^{1} f(t) g(t)   dt = 0
    Démontrer que la fonction ff est identiquement nulle sur [0,1][0,1].

  2. On suppose désormais que pour toute fonction gC1([0,1],R)g \in \mathcal{C}^{1}([0,1], \mathbb{R}) vérifiant g(0)=g(1)g(0)=g(1), on a :
    01f(t)g(t)dt=0\int_{0}^{1} f(t) g'(t)   dt = 0
    Que peut-on conclure sur la fonction ff ? Démontrer le résultat.

1.

Pour la première question, raisonner par l'absurde en supposant que ff n'est pas nulle en un point t0t_0, puis construire une fonction "cloche" gg de classe C1\mathcal{C}^1 centrée en t0t_0 et s'annulant au bord.

2.

Pour la seconde question, introduire la valeur moyenne c=01f(t)dtc = \int_0^1 f(t)   dt et considérer une primitive bien choisie de la fonction fcf-c.

Idées clés

Utilisation de fonctions tests (fonctions "cloches").

Lien entre orthogonalité aux dérivées et fonctions constantes.

Propriété de positivité de l'intégrale pour les fonctions continues non nulles.

Résolution.

  1. Démontrons que ff est nulle par l'absurde. Supposons qu'il existe t0[0,1]t_0 \in [0,1] tel que f(t0)0f(t_0) \neq 0. Quitte à remplacer ff par f-f, on peut supposer f(t0)>0f(t_0) > 0. Par continuité de ff, il existe un intervalle [α,β][0,1][\alpha, \beta] \subset [0,1] tel que t0]α,β[t_0 \in ]\alpha, \beta[ et :
    t[α,β],f(t)f(t0)2>0\forall t \in [\alpha, \beta],   f(t) \geq \frac{f(t_0)}{2} > 0
    Construisons une fonction gC1([0,1])g \in \mathcal{C}^1([0,1]) positive, s'annulant hors de ]α,β[]\alpha, \beta[, et telle que g(0)=g(1)g(0)=g(1). On peut poser :
    g(t)={(tα)2(tβ)2si t[α,β]0sinong(t) = \begin{cases} (t-\alpha)^2(t-\beta)^2 & \text{si } t \in [\alpha, \beta]
    0 & \text{sinon} \end{cases}
    Cette fonction est de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0,1][0,1] car la fonction et sa dérivée s'annulent en α\alpha et β\beta. De plus, g(0)=g(1)=0g(0)=g(1)=0. Calculons l'intégrale du produit :
    01f(t)g(t)dt=αβf(t)g(t)dt\int_0^1 f(t)g(t)   dt = \int_\alpha^\beta f(t)g(t)   dt
    Sur ]α,β[]\alpha, \beta[, le produit fgfg est strictement positif et continu. L'intégrale est donc strictement positive :
    01f(t)g(t)dt>0\int_0^1 f(t)g(t)   dt > 0
    Ceci contredit l'hypothèse d'orthogonalité. On en conclut :
    f=0\boxed{ f = 0 }

  2. Montrons que ff est une fonction constante. Notons c=01f(t)dtc = \int_0^1 f(t)   dt la valeur moyenne de ff sur [0,1][0,1]. Considérons une fonction hC0([0,1])h \in \mathcal{C}^0([0,1]) telle que 01h(t)dt=0\int_0^1 h(t)   dt = 0. On définit alors g:x0xh(t)dtg : x \mapsto \int_0^x h(t)   dt. Par le théorème fondamental de l'analyse, gg est de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0,1][0,1] et g=hg'=h. On remarque que g(0)=0g(0)=0 et g(1)=01h(t)dt=0g(1) = \int_0^1 h(t)   dt = 0. Ainsi, gg vérifie les conditions de l'énoncé. L'hypothèse nous donne :
    01f(t)h(t)dt=0\int_0^1 f(t) h(t)   dt = 0
    Appliquons ceci à la fonction particulière h=fch = f - c. Elle est continue et sa moyenne est nulle. On a donc :
    01f(t)(f(t)c)dt=0\int_0^1 f(t) (f(t) - c)   dt = 0
    Observons par ailleurs que :
    01c(f(t)c)dt=c(01f(t)dtc)=c(cc)=0\int_0^1 c (f(t) - c)   dt = c \left( \int_0^1 f(t)   dt - c \right) = c(c-c) = 0
    En soustrayant ces deux égalités, nous obtenons :
    01(f(t)c)2dt=01f(t)(f(t)c)dt01c(f(t)c)dt=0\int_0^1 (f(t)-c)^2   dt = \int_0^1 f(t)(f(t)-c)   dt - \int_0^1 c(f(t)-c)   dt = 0
    La fonction (fc)2(f-c)^2 est continue et positive sur [0,1][0,1]. Comme son intégrale est nulle, la fonction est identiquement nulle.
    t[0,1],f(t)=c\boxed{ \forall t \in [0,1],   f(t) = c }
    Ainsi, ff est une fonction constante.

Vouloir intégrer par parties alors que f n'est pas C1.

Orthogonalité aux dérivées implique la constance.