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Soit f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction continue satisfaisant la relation suivante :

∀x∈R,f(x+1)=f(x)+2\forall x \in \mathbb{R},   f(x+1) = f(x) + 2

Montrer qu'il existe une fonction h∈C(R,R)h \in \mathcal{C}(\mathbb{R}, \mathbb{R}) telle que :

  1. h∘f=2hh \circ f = 2h
  2. ∀x∈R,h(x+1)=h(x)+1\forall x \in \mathbb{R},   h(x+1) = h(x) + 1

1.

Introduire la fonction g(x)=f(x)−2xg(x) = f(x) - 2x et montrer qu'elle est 11-périodique.

2.

Chercher hh sous la forme h(x)=x+ϕ(x)h(x) = x + \phi(x) où ϕ\phi est une fonction 11-périodique.

3.

Traduire la condition h∘f=2hh \circ f = 2h en une équation fonctionnelle sur ϕ\phi.

4.

Exprimer ϕ\phi comme la somme d'une série de fonctions.

Idées clés

•

Décomposition en partie linéaire et partie périodique.

•

Utilisation d'une série de fonctions pour résoudre une équation de type point fixe.

•

Convergence normale pour garantir la continuité de la somme.

Étape 1 : Analyse de la structure de ff.

Posons g(x)=f(x)−2xg(x) = f(x) - 2x. La fonction gg est continue sur R\mathbb{R}. Calculons g(x+1)g(x+1) :

g(x+1)=f(x+1)−2(x+1)=f(x)+2−2x−2=f(x)−2x=g(x)g(x+1) = f(x+1) - 2(x+1) = f(x) + 2 - 2x - 2 = f(x) - 2x = g(x)

Ainsi, gg est une fonction continue et 11-périodique. On en déduit que :

f(x)=2x+g(x)\boxed{f(x) = 2x + g(x)}

Étape 2 : Analyse de la structure de hh.

La condition h(x+1)=h(x)+1h(x+1) = h(x) + 1 suggère de chercher hh sous la forme h(x)=x+ϕ(x)h(x) = x + \phi(x). En substituant cette expression, la condition devient :

(x+1)+ϕ(x+1)=x+ϕ(x)+1  ⟺  ϕ(x+1)=ϕ(x)(x+1) + \phi(x+1) = x + \phi(x) + 1 \iff \phi(x+1) = \phi(x)

Il suffit donc de trouver une fonction ϕ\phi continue et 11-périodique.

Étape 3 : Traduction de la condition h∘f=2hh \circ f = 2h.

Substituons h(x)=x+ϕ(x)h(x) = x + \phi(x) dans l'équation h(f(x))=2h(x)h(f(x)) = 2h(x) :

f(x)+ϕ(f(x))=2(x+ϕ(x))f(x) + \phi(f(x)) = 2(x + \phi(x))
2x+g(x)+ϕ(f(x))=2x+2ϕ(x)2x + g(x) + \phi(f(x)) = 2x + 2\phi(x)

En simplifiant par 2x2x, on obtient l'équation fonctionnelle suivante sur ϕ\phi :

ϕ(x)=12g(x)+12ϕ(f(x))\phi(x) = \frac{1}{2} g(x) + \frac{1}{2} \phi(f(x))

Étape 4 : Résolution par une série de fonctions.

En itérant cette relation, on est naturellement conduit à considérer la série de fonctions :

ϕ(x)=∑n=0+∞g(f∘n(x))2n+1\phi(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{g(f^{\circ n}(x))}{2^{n+1}}

Montrons que cette série définit bien une fonction convenable.

Continuité et convergence : La fonction gg est continue et 11-périodique sur R\mathbb{R}, donc elle est bornée. Notons M=sup⁡x∈R∣g(x)∣M = \sup_{x \in \mathbb{R}} |g(x)|. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et tout x∈Rx \in \mathbb{R} :

∣g(f∘n(x))2n+1∣≤M2n+1\left| \frac{g(f^{\circ n}(x))}{2^{n+1}} \right| \le \frac{M}{2^{n+1}}

Il s'agit du terme général d'une série géométrique convergente. La série converge donc normalement (et donc uniformément) sur R\mathbb{R}. Comme chaque terme x↦g(f∘n(x))2n+1x \mapsto \frac{g(f^{\circ n}(x))}{2^{n+1}} est continu, la somme ϕ\phi est continue sur R\mathbb{R}.

Vérification de l'équation fonctionnelle :

12g(x)+12ϕ(f(x))=12g(x)+∑n=0+∞g(f∘n+1(x))2n+2=g(x)2+∑k=1+∞g(f∘k(x))2k+1=ϕ(x)\frac{1}{2} g(x) + \frac{1}{2} \phi(f(x)) = \frac{1}{2} g(x) + \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{g(f^{\circ n+1}(x))}{2^{n+2}} = \frac{g(x)}{2} + \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{g(f^{\circ k}(x))}{2^{k+1}} = \phi(x)

Périodicité de ϕ\phi : On a établi que f(x+1)=f(x)+2f(x+1) = f(x) + 2. Par récurrence, on montre que f∘n(x+1)=f∘n(x)+2nf^{\circ n}(x+1) = f^{\circ n}(x) + 2^n. Comme gg est 11-périodique et que 2n∈Z2^n \in \mathbb{Z}, on a :

g(f∘n(x+1))=g(f∘n(x)+2n)=g(f∘n(x))g(f^{\circ n}(x+1)) = g(f^{\circ n}(x) + 2^n) = g(f^{\circ n}(x))

Chaque terme de la série est 11-périodique, donc ϕ\phi est 11-périodique.

Conclusion : La fonction hh définie par h(x)=x+∑n=0+∞g(f∘n(x))2n+1h(x) = x + \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{g(f^{\circ n}(x))}{2^{n+1}} répond au problème.

h(x)=x+∑n=0+∞f(f∘n(x))−2f∘n(x)2n+1\boxed{h(x) = x + \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{f(f^{\circ n}(x)) - 2f^{\circ n}(x)}{2^{n+1}}}

Oublier de vérifier que la périodicité est bien transmise à la somme de la série via la structure de f.

Une équation du type point fixe fonctionnel se résout souvent par une série de fonctions itérées sous réserve de convergence.