Soit f:[0,1]Rf : [0, 1] \to \mathbb{R} une fonction continue. On s'intéresse aux équations fonctionnelles faisant intervenir des séries de fonctions.

  1. Déterminer l'ensemble des fonctions fC([0,1],R)f \in \mathcal{C}([0, 1], \mathbb{R}) vérifiant la relation suivante :
    x[0,1],f(x)=n=1+f(xn)2n\forall x \in [0, 1],   f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(x^n)}{2^n}

  2. Soit (un)n1(u_n)_{n \geq 1} une suite d'éléments de [0,1][0, 1] croissante et convergeant vers 11. Déterminer les fonctions fC([0,1],R)f \in \mathcal{C}([0, 1], \mathbb{R}) telles que :
    x[0,1],f(x)=n=1+f(unx+1x)2n\forall x \in [0, 1],   f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(u_n x + 1 - x)}{2^n}

1.

Remarquer que les fonctions constantes sont toujours solutions.

2.

Pour la question 1, on pourra considérer le maximum de la fonction sur un intervalle de la forme [0,b][0, b] avec b<1b < 1, ou utiliser l'itérée de la relation.

3.

Pour la question 2, évaluer l'égalité en des points particuliers (x=0x=0 et x=1x=1) et utiliser le fait que f(x)f(x) s'exprime comme une moyenne pondérée de ses valeurs.

Idées clés

Utilisation du théorème des bornes atteintes (principe du maximum).

Analyse de la convergence des arguments des fonctions vers les points fixes de l'équation.

Propriété de convexité : si une moyenne pondérée atteint sa borne supérieure, alors toutes les valeurs pondérées sont égales à ce maximum.

Résolution.

  1. Soit ff une solution continue sur [0,1][0, 1]. On remarque immédiatement que les fonctions constantes sont solutions car n=12n=1\sum_{n=1}^{\infty} 2^{-n} = 1. Soit b[0,1[b \in [0, 1[. La fonction ff est continue sur le segment [0,b][0, b], elle y est donc bornée et atteint ses bornes. Soit Mb=maxx[0,b]f(x)M_b = \max_{x \in [0, b]} f(x) et xb[0,b]x_b \in [0, b] un point tel que f(xb)=Mbf(x_b) = M_b. D'après l'énoncé, nous avons :
    f(xb)=n=1+f(xbn)2nf(x_b) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(x_b^n)}{2^n}
    Puisque pour tout n1n \geq 1, xbn[0,b]x_b^n \in [0, b] (car xb[0,1[x_b \in [0, 1[), on a f(xbn)Mb=f(xb)f(x_b^n) \leq M_b = f(x_b). Ainsi, on a une égalité entre une valeur et une moyenne pondérée de valeurs qui lui sont inférieures ou égales :
    f(xb)=n=1+f(xbn)2nn=1+Mb2n=Mbf(x_b) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(x_b^n)}{2^n} \leq \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{M_b}{2^n} = M_b
    L'égalité ne peut être vérifiée que si, pour tout n1n \geq 1, f(xbn)=Mbf(x_b^n) = M_b. En faisant tendre nn vers ++\infty, on a xbn0x_b^n \to 0. Par continuité de ff en 00, on en déduit :
    f(xb)=f(0)\boxed{ f(x_b) = f(0) }
    Ceci étant vrai pour tout xbx_b réalisant le maximum sur [0,b][0, b], on en déduit que Mb=f(0)M_b = f(0). Par un raisonnement identique sur le minimum, on montre que min[0,b]f=f(0)\min_{[0, b]} f = f(0). Par conséquent, ff est constante sur [0,b][0, b] pour tout b<1b < 1. Par continuité en 11, ff est constante sur [0,1][0, 1].
    Les solutions sont les fonctions constantes.\boxed{ \text{Les solutions sont les fonctions constantes.} }

  2. Soit ff une solution. Pour x=1x=1, l'équation donne f(1)=n=12nf(un+11)=n=12nf(1)=f(1)f(1) = \sum_{n=1}^{\infty} 2^{-n} f(u_n + 1 - 1) = \sum_{n=1}^{\infty} 2^{-n} f(1) = f(1), ce qui est toujours vrai. Pour x=0x=0, l'équation donne :
    f(0)=n=1+f(1)2n=f(1)n=1+12n=f(1)f(0) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(1)}{2^n} = f(1) \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{2^n} = f(1)
    Ainsi, toute solution vérifie nécessairement f(0)=f(1)f(0) = f(1). Soit M=maxx[0,1]f(x)M = \max_{x \in [0, 1]} f(x) et m=minx[0,1]f(x)m = \min_{x \in [0, 1]} f(x). Soit A={x[0,1]f(x)=M}A = \{ x \in [0, 1] \mid f(x) = M \}. AA est un fermé non vide de [0,1][0, 1]. Soit x0Ax_0 \in A. On a :
    M=f(x0)=n=1+f(unx0+1x0)2nM = f(x_0) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(u_n x_0 + 1 - x_0)}{2^n}
    Comme précédemment, le fait que fMf \leq M impose que pour tout n1n \geq 1 :
    f(unx0+1x0)=Mf(u_n x_0 + 1 - x_0) = M
    L'argument vn=unx0+1x0v_n = u_n x_0 + 1 - x_0 appartient donc à AA. Or, quand n+n \to +\infty, un1u_n \to 1, donc :
    vn1x0+1x0=1v_n \to 1 \cdot x_0 + 1 - x_0 = 1
    Par continuité de ff (ou car AA est fermé), on en déduit que 1A1 \in A, soit f(1)=Mf(1) = M. En appliquant le même raisonnement à la fonction f-f (ou au minimum), on montre que f(1)=mf(1) = m. D'où M=mM = m, ce qui prouve que ff est constante. Réciproquement, toute fonction constante est clairement solution.
    Les solutions sont les fonctions constantes.\boxed{ \text{Les solutions sont les fonctions constantes.} }

Justification de l'égalité des termes dans une moyenne pondérée atteignant son maximum.

Méthode du maximum pour les équations fonctionnelles de type moyenne.