WikiPrépaLivrets

L'objectif de cet exercice est de démontrer le théorème de Borel : pour toute suite complexe (an)n∈N(a_n)_{n \in \mathbb{N}}, il existe une fonction f∈C∞(R,C)f \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{C}) telle que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, f(n)(0)=anf^{(n)}(0) = a_n.

  1. Étude de cas particuliers
    1. Déterminer une fonction ff convenable lorsque an=12na_n = \frac{1}{2^n} pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}.
    2. Proposer une construction simple pour an=1n!a_n = \frac{1}{n!}.
    3. Peut-on toujours trouver une telle fonction sous forme de série entière au voisinage de 0 lorsque an=n!a_n = n! ou an=(n!)2a_n = (n!)^2 ?

  2. Construction d'une fonction plateau
    1. Soit g:R→Rg : \mathbb{R} \to \mathbb{R} définie par g(x)=exp⁡(−1/x2)g(x) = \exp(-1/x^2) si x>0x > 0 et g(x)=0g(x) = 0 sinon. Montrer que g∈C∞(R,R)g \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R}).
    2. En déduire l'existence d'une fonction φ∈C∞(R,R)\varphi \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R}) telle que :
      ∣t∣⩽1  ⟹  φ(t)=1et∣t∣⩾2  ⟹  φ(t)=0|t| \leqslant 1 \implies \varphi(t) = 1   \text{et}   |t| \geqslant 2 \implies \varphi(t) = 0

  3. Preuve du théorème de Borel Soit (an)n∈N(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de complexes. On pose pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} :
    un(x)=ann!xnφ(λnx)u_n(x) = \frac{a_n}{n!} x^n \varphi(\lambda_n x)
    où φ\varphi est la fonction plateau de la question précédente et (λn)n∈N(\lambda_n)_{n \in \mathbb{N}} est une suite de réels strictement positifs.
    1. Justifier que pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et tout k∈{0,…,n−1}k \in \{0, \dots, n-1\}, on a :
      lim⁡λ→+∞sup⁡x∈R∣dkdxk(ann!xnφ(λx))∣=0\lim_{\lambda \to +\infty} \sup_{x \in \mathbb{R}} \left| \frac{\mathrm{d}^k}{\mathrm{d}x^k} \left( \frac{a_n}{n!} x^n \varphi(\lambda x) \right) \right| = 0
    2. En déduire qu'il existe une suite (λn)n∈N(\lambda_n)_{n \in \mathbb{N}} telle que la série de fonctions ∑un\sum u_n définisse une fonction f∈C∞(R,C)f \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{C}) vérifiant ∀n∈N,f(n)(0)=an\forall n \in \mathbb{N}, f^{(n)}(0) = a_n.

  4. Application : Lemme de prolongement C∞\mathcal{C^\infty} Soit a<ba < b deux réels. Soient g1∈C∞(]−∞,a],C)g_1 \in \mathcal{C}^\infty(]-\infty, a], \mathbb{C}) et g2∈C∞([b,+∞[,C)g_2 \in \mathcal{C}^\infty([b, +\infty[, \mathbb{C}). Montrer qu'il existe h∈C∞(R,C)h \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{C}) telle que h∣]−∞,a]=g1h_{|]-\infty, a]} = g_1 et h∣[b,+∞[=g2h_{|[b, +\infty[} = g_2.

1.

Pour la question 1(c), examiner le rayon de convergence de la série entière associée.

2.

Pour la question 2(a), utiliser la croissance comparée pour montrer que les dérivées à droite en 0 sont nulles.

3.

Pour la question 3(a), effectuer le changement de variable u=λxu = \lambda x dans l'expression de la dérivée.

4.

Pour la question 3(b), choisir λn\lambda_n tel que la norme infinie de la kk-ième dérivée de unu_n soit majorée par 1/2n1/2^n pour k<nk < n.

5.

Pour la question 4, utiliser le théorème de Borel en aa et bb pour créer un raccord local, puis utiliser une fonction de troncature.

Idées clés

•

Fonctions à support compact et fonctions "plates".

•

Théorème de dérivation des séries de fonctions (convergence normale des dérivées).

•

Scaling (ajustement de l'étalement) pour forcer la convergence.

Résolution.

  1. Analyse des premiers cas
    1. Si an=(1/2)na_n = (1/2)^n, la fonction f(x)=ex/2f(x) = e^{x/2} convient car f(n)(0)=(1/2)ne0/2=1/2nf^{(n)}(0) = (1/2)^n e^{0/2} = 1/2^n.

    2. Si an=1/n!a_n = 1/n!, on cherche ff telle que f(n)(0)=1/n!f^{(n)}(0) = 1/n!. La fonction f(x)=∑n=0+∞xn(n!)2f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{(n!)^2} est une fonction entière (rayon de convergence infini) qui répond à la question.

    3. Si an=n!a_n = n!, la série entière associée est ∑n!n!xn=∑xn\sum \frac{n!}{n!} x^n = \sum x^n, de rayon de convergence 1. Elle ne définit pas une fonction sur R\mathbb{R} tout entier. Si an=(n!)2a_n = (n!)^2, la série ∑(n!)2n!xn=∑n!xn\sum \frac{(n!)^2}{n!} x^n = \sum n! x^n a un rayon de convergence nul.
      Une fonction analytique ne suffit pas toujours pour prescrire n’importe quelle suite de deˊriveˊes.\boxed{\text{Une fonction analytique ne suffit pas toujours pour prescrire n'importe quelle suite de dérivées.}}

  2. Fonction plateau
    1. La fonction gg est trivialement C∞\mathcal{C}^\infty sur R∗\mathbb{R}^*. En 0, on montre par récurrence que g(k)(x)=Pk(1/x)e−1/x2g^{(k)}(x) = P_k(1/x) e^{-1/x^2} pour x>0x>0 où PkP_k est un polynôme. Par croissance comparée, lim⁡x→0+g(k)(x)=0\lim_{x \to 0^+} g^{(k)}(x) = 0. Le théorème de prolongement de la dérivée assure que g∈C∞(R,R)g \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R}).

    2. On pose h(x)=g(x−1)g(x−1)+g(2−x)h(x) = \frac{g(x-1)}{g(x-1) + g(2-x)}. Cette fonction vaut 0 pour x⩽1x \leqslant 1 et 1 pour x⩾2x \geqslant 2. En posant φ(x)=1−h(∣x∣)\varphi(x) = 1 - h(|x|), on obtient une fonction C∞\mathcal{C}^\infty valant 1 sur [−1,1][-1,1] et 0 hors de ]−2,2[]-2, 2[.
      φ∈Cc∞(R) avec φ∣[−1,1]=1\boxed{\varphi \in \mathcal{C}_c^\infty(\mathbb{R}) \text{ avec } \varphi_{|[-1,1]} = 1}

  3. Preuve de Borel
    1. Soit hn(x)=ann!xnφ(x)h_n(x) = \frac{a_n}{n!} x^n \varphi(x). Comme φ\varphi est à support compact, hnh_n et toutes ses dérivées sont bornées sur R\mathbb{R}. On a un(x)=hn(λx)⋅λ−nu_n(x) = h_n(\lambda x) \cdot \lambda^{-n}. Par la formule de dérivation d'une composée :
      un(k)(x)=λkhn(k)(λx)λ−n=λk−nhn(k)(λx)u_n^{(k)}(x) = \lambda^k h_n^{(k)}(\lambda x) \lambda^{-n} = \lambda^{k-n} h_n^{(k)}(\lambda x)
      Pour k<nk < n, l'exposant k−nk-n est strictement négatif. Comme hn(k)h_n^{(k)} est bornée :
      sup⁡x∈R∣un(k)(x)∣⩽λk−n∥hn(k)∥∞→λ→+∞0\sup_{x \in \mathbb{R}} |u_n^{(k)}(x)| \leqslant \lambda^{k-n} \|h_n^{(k)}\|_\infty \xrightarrow[\lambda \to +\infty]{} 0
      ∀k<n,lim⁡λ→+∞∥un(k)∥∞=0\boxed{\forall k < n, \lim_{\lambda \to +\infty} \|u_n^{(k)}\|_\infty = 0}

    2. Pour chaque nn, on choisit λn⩾1\lambda_n \geqslant 1 tel que pour tout k∈{0,…,n−1}k \in \{0, \dots, n-1\}, ∥un(k)∥∞⩽12n\|u_n^{(k)}\|_\infty \leqslant \frac{1}{2^n}. Considérons la série de fonctions ∑un\sum u_n. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, la série des dérivées ∑un(k)\sum u_n^{(k)} converge normalement sur R\mathbb{R} car :
      ∑n=k+1+∞∥un(k)∥∞⩽∑n=k+1+∞12n<+∞\sum_{n=k+1}^{+\infty} \|u_n^{(k)}\|_\infty \leqslant \sum_{n=k+1}^{+\infty} \frac{1}{2^n} < +\infty
      Les premiers termes (pour n⩽kn \leqslant k) sont des fonctions C∞\mathcal{C}^\infty. Ainsi f=∑n=0+∞unf = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n est de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur R\mathbb{R}. En x=0x=0, comme φ\varphi vaut 1 au voisinage de 0, φ(λnx)=1\varphi(\lambda_n x) = 1 et ses dérivées sont nulles. On a un(k)(0)=anδn,ku_n^{(k)}(0) = a_n \delta_{n,k}. Par sommation, f(k)(0)=akf^{(k)}(0) = a_k.

  4. Prolongement On utilise Borel pour construire ψ1∈C∞\psi_1 \in \mathcal{C}^\infty telle que ψ1(n)(a)=g1(n)(a)\psi_1^{(n)}(a) = g_1^{(n)}(a) et ψ2∈C∞\psi_2 \in \mathcal{C}^\infty telle que ψ2(n)(b)=g2(n)(b)\psi_2^{(n)}(b) = g_2^{(n)}(b). On définit hh par morceaux : g1g_1 sur ]−∞,a]]-\infty, a], g2g_2 sur [b,+∞[[b, +\infty[, et entre aa et bb, on utilise une interpolation C∞\mathcal{C}^\infty (via des fonctions plateaux) raccordant les dérivées de ψ1\psi_1 en aa et ψ2\psi_2 en bb.

Confondre fonction C-infini et fonction analytique (développable en série entière).

Le théorème de Borel permet de prescrire n'importe quelle suite de dérivées en un point pour une fonction lisse.