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Soit un entier ℓ⩾2\ell \geqslant 2. On considère la fonction gg définie sur R\mathbb{R}, de période 11, telle que :

∀x∈[−12,12],g(x)=∣x∣\forall x \in \left[-\frac{1}{2}, \frac{1}{2}\right],   g(x) = |x|
On définit pour tout entier naturel nn la fonction gn:x↦g(ℓnx)ℓng_n : x \mapsto \frac{g(\ell^n x)}{\ell^n}, et on considère la fonction ff définie par la série :
f(x)=∑n=0+∞gn(x)f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} g_n(x)

  1. Justifier que pour tout couple (x,y)∈R2(x, y) \in \mathbb{R}^2, on a l'inégalité g(y)−g(x)⩾−∣y−x∣g(y) - g(x) \geqslant -|y - x|.
  2. Démontrer que la fonction ff est définie et continue sur R\mathbb{R}.
  3. Soient m∈N∗m \in \mathbb{N}^* et deux réels aa et hh vérifiant ℓma∈Z\ell^m a \in \mathbb{Z} et ∣h∣=ℓ−2m−1|h| = \ell^{-2m-1}. Démontrer que f(a+h)−f(a)⩾∣h∣f(a+h) - f(a) \geqslant |h|.
  4. En déduire que la fonction ff n'est monotone sur aucun intervalle [x,y][x, y] de R\mathbb{R} (avec x<yx < y).
  5. Pour u∈Ru \in \mathbb{R} et k∈Nk \in \mathbb{N}, déterminer une expression simplifiée de l'intégrale :
    I=∫uu+kf(t) dtI = \int_u^{u+k} f(t)   \mathrm{d}t

1.

Pour la question 1, interpréter g(x)g(x) comme la distance de xx à l'ensemble des entiers Z\mathbb{Z}.

2.

Pour la question 2, étudier la convergence normale de la série de fonctions.

3.

Pour la question 3, décomposer la somme définissant f(a+h)−f(a)f(a+h) - f(a) en trois parties selon les indices n<mn < m, m⩽n⩽2mm \leqslant n \leqslant 2m et n⩾2m+1n \geqslant 2m+1. Remarquer que gn(a)=0g_n(a)=0 pour n⩾mn \geqslant m.

4.

Pour la question 4, utiliser la densité des nombres de la forme p/ℓmp/\ell^m pour trouver des points a−h,a,a+ha-h, a, a+h dans tout intervalle.

5.

Pour la question 5, justifier l'interversion série-intégrale grâce à la convergence uniforme, puis exploiter la périodicité de gg.

Idées clés

•

Caractère lipschitzien de la distance à un ensemble.

•

Convergence normale pour la continuité d'une somme de série.

•

Manipulation de sommes finies issues de séries à supports locaux.

•

Propriété de la valeur moyenne d'une fonction périodique.

Résolution.

  1. La fonction gg est la distance à l'ensemble Z\mathbb{Z}. En effet, pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, g(x)=min⁡k∈Z∣x−k∣g(x) = \min_{k \in \mathbb{Z}} |x - k|. D'après l'inégalité triangulaire renversée, pour tout k∈Zk \in \mathbb{Z} :
    ∣y−k∣⩽∣y−x∣+∣x−k∣|y - k| \leqslant |y - x| + |x - k|
    En passant à l'infimum sur k∈Zk \in \mathbb{Z}, on obtient g(y)⩽∣y−x∣+g(x)g(y) \leqslant |y - x| + g(x), ce qui se réécrit :
    g(y)−g(x)⩾−∣y−x∣\boxed{g(y) - g(x) \geqslant -|y - x|}
    On montre de même g(x)−g(y)⩾−∣y−x∣g(x) - g(y) \geqslant -|y - x|, d'où ∣g(x)−g(y)∣⩽∣y−x∣|g(x) - g(y)| \leqslant |y - x|. La fonction gg est donc 11-lipschitzienne.

  2. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, la fonction gng_n est continue par composition. De plus, pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, ∣g(x)∣⩽12|g(x)| \leqslant \frac{1}{2}. On en déduit :
    ∀n∈N,∥gn∥∞⩽12ℓn\forall n \in \mathbb{N},   \|g_n\|_{\infty} \leqslant \frac{1}{2 \ell^n}
    Comme ℓ⩾2\ell \geqslant 2, la série géométrique ∑1ℓn\sum \frac{1}{\ell^n} converge. La série de fonctions ∑gn\sum g_n converge donc normalement, et a fortiori uniformément sur R\mathbb{R}. Chaque gng_n étant continue, la somme ff est définie et continue sur R\mathbb{R}.

  3. Par hypothèse, ℓma\ell^m a est un entier, donc pour tout n⩾mn \geqslant m, ℓna=ℓn−m(ℓma)\ell^n a = \ell^{n-m}(\ell^m a) est aussi un entier. Comme gg s'annule sur Z\mathbb{Z}, on a gn(a)=0g_n(a) = 0 pour tout n⩾mn \geqslant m. De même, pour n⩾2m+1n \geqslant 2m+1, ℓn(a+h)=ℓna+ℓnh=ℓna±ℓn−(2m+1)\ell^n(a+h) = \ell^n a + \ell^n h = \ell^n a \pm \ell^{n-(2m+1)} est un entier car n⩾2m+1n \geqslant 2m+1. Ainsi, gn(a+h)=0g_n(a+h) = 0 pour tout n⩾2m+1n \geqslant 2m+1. On décompose alors la différence :
    f(a+h)−f(a)=∑n=0m−1(gn(a+h)−gn(a))+∑n=m2mgn(a+h)f(a+h) - f(a) = \sum_{n=0}^{m-1} \left( g_n(a+h) - g_n(a) \right) + \sum_{n=m}^{2m} g_n(a+h)
    D'une part, pour n<mn < m, comme gg est 11-lipschitzienne :
    gn(a+h)−gn(a)=g(ℓn(a+h))−g(ℓna)ℓn⩾−∣ℓnh∣ℓn=−∣h∣g_n(a+h) - g_n(a) = \frac{g(\ell^n(a+h)) - g(\ell^n a)}{\ell^n} \geqslant -\frac{|\ell^n h|}{\ell^n} = -|h|
    D'autre part, pour m⩽n⩽2mm \leqslant n \leqslant 2m, on a ℓna∈Z\ell^n a \in \mathbb{Z} et ∣ℓnh∣=ℓn−2m−1⩽ℓ−1⩽12|\ell^n h| = \ell^{n-2m-1} \leqslant \ell^{-1} \leqslant \frac{1}{2}. Donc g(ℓn(a+h))=g(ℓna+ℓnh)=g(ℓnh)=∣ℓnh∣g(\ell^n(a+h)) = g(\ell^n a + \ell^n h) = g(\ell^n h) = |\ell^n h|. On obtient :
    gn(a+h)=∣ℓnh∣ℓn=∣h∣g_n(a+h) = \frac{|\ell^n h|}{\ell^n} = |h|
    En sommant ces deux contributions :
    f(a+h)−f(a)⩾∑n=0m−1(−∣h∣)+∑n=m2m∣h∣=−m∣h∣+(m+1)∣h∣f(a+h) - f(a) \geqslant \sum_{n=0}^{m-1} (-|h|) + \sum_{n=m}^{2m} |h| = -m|h| + (m+1)|h|
    f(a+h)−f(a)⩾∣h∣\boxed{f(a+h) - f(a) \geqslant |h|}

  4. Supposons par l'absurde que ff est monotone sur un segment [x,y][x, y]. Par densité, on peut trouver mm assez grand et aa de la forme p/ℓmp/\ell^m dans l'intérieur de [x,y][x, y]. Posons h=ℓ−2m−1h = \ell^{-2m-1} et h′=−hh' = -h. Pour mm assez grand, a+ha+h et a+h′a+h' appartiennent à [x,y][x, y]. La question précédente montre que f(a+h)−f(a)⩾h>0f(a+h) - f(a) \geqslant h > 0 et f(a+h′)−f(a)⩾∣h′∣>0f(a+h') - f(a) \geqslant |h'| > 0. On a donc f(a+h)>f(a)f(a+h) > f(a) et f(a+h′)>f(a)f(a+h') > f(a). Ceci contredit la monotonie de ff sur [a+h′,a+h][a+h', a+h].

  5. Puisque la série ∑gn\sum g_n converge uniformément sur le segment [u,u+k][u, u+k], on peut intervertir les symboles somme et intégrale :
    I=∑n=0+∞∫uu+kg(ℓnt)ℓn dtI = \sum_{n=0}^{+\infty} \int_u^{u+k} \frac{g(\ell^n t)}{\ell^n}   \mathrm{d}t
    Par le changement de variable v=ℓntv = \ell^n t (dv=ℓndt\mathrm{d}v = \ell^n \mathrm{d}t) :
    ∫uu+kg(ℓnt)ℓn dt=1ℓ2n∫ℓnuℓnu+ℓnkg(v) dv\int_u^{u+k} \frac{g(\ell^n t)}{\ell^n}   \mathrm{d}t = \frac{1}{\ell^{2n}} \int_{\ell^n u}^{\ell^n u + \ell^n k} g(v)   \mathrm{d}v
    La fonction gg étant 11-périodique et l'intervalle d'intégration étant de longueur ℓnk∈N\ell^n k \in \mathbb{N}, l'intégrale sur cet intervalle vaut ℓnk\ell^n k fois l'intégrale sur une période :
    ∫ℓnuℓnu+ℓnkg(v) dv=ℓnk∫01g(v) dv\int_{\ell^n u}^{\ell^n u + \ell^n k} g(v)   \mathrm{d}v = \ell^n k \int_0^1 g(v)   \mathrm{d}v
    L'intégrale de gg sur [0,1][0, 1] est : ∫01g=2∫01/2v dv=2[v22]01/2=14\int_0^1 g = 2 \int_0^{1/2} v   \mathrm{d}v = 2 \left[ \frac{v^2}{2} \right]_0^{1/2} = \frac{1}{4}. Ainsi :
    I=∑n=0+∞ℓnk4ℓ2n=k4∑n=0+∞(1ℓ)nI = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{\ell^n k}{4 \ell^{2n}} = \frac{k}{4} \sum_{n=0}^{+\infty} \left( \frac{1}{\ell} \right)^n
    En utilisant la formule de la somme d'une série géométrique (ℓ>1\ell > 1) :
    I=kℓ4(ℓ−1)\boxed{I = \frac{k \ell}{4(\ell - 1)}}

Vérification de la plage de validité de g(x)=|x|.

Intégrale d'une fonction périodique sur un nombre entier de périodes.