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On considère l'ensemble EE des fonctions f:R+Rf : \mathbb{R}_+^* \to \mathbb{R} vérifiant les trois conditions suivantes :

  • xR+,f(x+1)f(x)=1x\forall x \in \mathbb{R}_+^*,   f(x+1) - f(x) = \dfrac{1}{x} ;
  • f(1)=0f(1) = 0 ;
  • ff est croissante sur R+\mathbb{R}_+^*.

  1. Pour tout nNn \in \mathbb{N}^* et tout xR+x \in \mathbb{R}_+^*, on pose un(x)=1n1n+xu_n(x) = \dfrac{1}{n} - \dfrac{1}{n+x}. Montrer que la fonction uu définie par u(x)=1x+n=1+un(x)u(x) = -\dfrac{1}{x} + \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x) est de classe C\mathcal{C}^\infty sur R+\mathbb{R}_+^* et appartient à EE.

  2. Soient ff et gg deux fonctions appartenant à EE. On pose δ=fg\delta = f - g.
    1. Montrer que δ\delta est une fonction 11-périodique sur R+\mathbb{R}_+^*.
    2. Déterminer la valeur de f(n)f(n) pour tout entier nNn \in \mathbb{N}^*.
    3. En déduire que limx+δ(x)=0\lim_{x \to +\infty} \delta(x) = 0.

  3. Déterminer l'ensemble EE.

1.

Pour la régularité de uu, étudier la convergence normale des séries de dérivées sur tout intervalle du type [a,+[[a, +\infty[ avec a>0a > 0.

2.

Pour l'équation fonctionnelle satisfaite par uu, utiliser un télescopage sur les sommes partielles.

3.

Pour la limite de δ\delta, encadrer f(x)f(x) et g(x)g(x) entre deux valeurs entières consécutives en utilisant la croissance.

4.

Une fonction continue (ou même seulement définie), périodique et possédant une limite finie en ++\infty est constante.

Idées clés

Théorème de dérivation des séries de fonctions (convergence normale sur tout segment).

Sommation télescopique pour les équations aux différences.

Propriétés des fonctions périodiques ayant une limite à l'infini.

Résolution.

  1. Étude de la fonction uu. Soit x>0x > 0 fixé. On a un(x)=xn(n+x)u_n(x) = \dfrac{x}{n(n+x)}. À xx fixé, un(x)xn2u_n(x) \sim \dfrac{x}{n^2} quand n+n \to +\infty. La série un(x)\sum u_n(x) converge donc absolument par comparaison à une série de Riemann convergente. Pour la classe C\mathcal{C}^\infty, soit kNk \in \mathbb{N}^*. La fonction unu_n est de classe C\mathcal{C}^\infty sur R+\mathbb{R}_+^* et :
    xR+,un(k)(x)=(1)k+1k!(n+x)k+1\forall x \in \mathbb{R}_+^*,   u_n^{(k)}(x) = \frac{(-1)^{k+1} k!}{(n+x)^{k+1}}
    Soit a>0a > 0. Pour tout x[a,+[x \in [a, +\infty[, on a un(k)(x)k!(n+a)k+1|u_n^{(k)}(x)| \le \dfrac{k!}{(n+a)^{k+1}}. Comme k1k \ge 1, la série de fonctions un(k)\sum u_n^{(k)} converge normalement sur [a,+[[a, +\infty[. Par théorème de dérivation sous le signe somme, uu est de classe C\mathcal{C}^\infty sur tout intervalle [a,+[[a, +\infty[, donc sur R+\mathbb{R}_+^*. Vérifions que uEu \in E : Croissance : On calcule la dérivée :
    x>0,u(x)=1x2+n=1+1(n+x)2\forall x > 0,   u'(x) = \frac{1}{x^2} + \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{(n+x)^2}
    Chaque terme est strictement positif, donc u(x)>0u'(x) > 0 et uu est strictement croissante. Valeur en 1 :
    u(1)=1+n=1+(1n1n+1)u(1) = -1 + \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1} \right)
    La somme est télescopique et vaut 11. D'où :
    u(1)=1+1=0\boxed{u(1) = -1 + 1 = 0}
    Équation fonctionnelle :
    u(x+1)u(x)=1x+1+1x+n=1+(un(x+1)un(x))u(x+1) - u(x) = -\frac{1}{x+1} + \frac{1}{x} + \sum_{n=1}^{+\infty} \left( u_n(x+1) - u_n(x) \right)
    Or, un(x+1)un(x)=(1n1n+x+1)(1n1n+x)=1n+x1n+x+1u_n(x+1) - u_n(x) = \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x+1} \right) - \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x} \right) = \frac{1}{n+x} - \frac{1}{n+x+1}. En sommant de n=1n=1 à NN :
    n=1N(un(x+1)un(x))=11+x1N+1+xN+1x+1\sum_{n=1}^N (u_n(x+1) - u_n(x)) = \frac{1}{1+x} - \frac{1}{N+1+x} \xrightarrow[N \to +\infty]{} \frac{1}{x+1}
    Ainsi, u(x+1)u(x)=1x+1+1x+1x+1=1xu(x+1) - u(x) = -\dfrac{1}{x+1} + \dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{x+1} = \dfrac{1}{x}.
  2. Étude de l'écart δ=fg\delta = f - g.
    1. Périodicité :
      δ(x+1)=f(x+1)g(x+1)=(f(x)+1x)(g(x)+1x)=δ(x)\delta(x+1) = f(x+1) - g(x+1) = \left(f(x) + \frac{1}{x}\right) - \left(g(x) + \frac{1}{x}\right) = \delta(x)
      La fonction δ\delta est donc bien 11-périodique sur R+\mathbb{R}_+^*.

    2. Valeurs aux entiers : Par récurrence, pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, f(n)=f(1)+k=1n1(f(k+1)f(k))f(n) = f(1) + \sum_{k=1}^{n-1} (f(k+1) - f(k)). Comme f(1)=0f(1)=0 et f(k+1)f(k)=1/kf(k+1)-f(k) = 1/k, on a :
      f(n)=k=1n11k=Hn1\boxed{f(n) = \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{k} = H_{n-1}}
      (avec la convention H0=0H_0 = 0).

    3. Limite en l'infini : Soit x1x \ge 1. Posons n=xn = \lfloor x \rfloor. On a nx<n+1n \le x < n+1. Par croissance de ff : f(n)f(x)f(n+1)f(n) \le f(x) \le f(n+1), soit Hn1f(x)HnH_{n-1} \le f(x) \le H_n. De même pour gEg \in E : Hn1g(x)HnH_{n-1} \le g(x) \le H_n. On en déduit que δ(x)=f(x)g(x)HnHn1=1n|\delta(x)| = |f(x) - g(x)| \le H_n - H_{n-1} = \dfrac{1}{n}. Comme n=x+n = \lfloor x \rfloor \to +\infty quand x+x \to +\infty :
      limx+δ(x)=0\boxed{\lim_{x \to +\infty} \delta(x) = 0}

  3. Conclusion sur l'ensemble EE. La fonction δ\delta est 11-périodique et tend vers 00 en ++\infty. Pour tout x>0x > 0 et tout kNk \in \mathbb{N}, δ(x)=δ(x+k)\delta(x) = \delta(x+k). En faisant tendre kk vers ++\infty, on obtient δ(x)=0\delta(x) = 0 pour tout x>0x > 0. Ainsi f=gf = g. L'ensemble EE contient au plus un élément. Comme uEu \in E, on conclut :
    E={u}\boxed{E = \{u\}}

Oublier d'utiliser la croissance pour prouver la limite nulle de l'écart.

Une fonction périodique ayant une limite à l'infini est constante.