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On considère l'espace vectoriel E=C0([0,1],R)E = \mathcal{C}^0([0,1], \mathbb{R}) muni de la norme de la convergence uniforme ∥⋅∥∞\|\cdot\|_{\infty}. On note Lc(E)\mathcal{L}_c(E) l'espace des endomorphismes continus de EE, muni de la norme subordonnée ∥∣⋅∣∥\||\cdot|\|.

Soit φ\varphi l'endomorphisme de EE défini par :

∀f∈E,∀x∈[0,1],φ(f)(x)=∫0xf(t) dt\forall f \in E, \forall x \in [0,1],   \varphi(f)(x) = \int_0^x f(t)   dt

  1. Montrer que φ\varphi est un élément de Lc(E)\mathcal{L}_c(E).
  2. Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^*.
    1. Exprimer φn(f)(x)\varphi^n(f)(x) à l'aide d'une unique intégrale.
    2. Calculer la norme subordonnée ∥∣φn∣∥\||\varphi^n|\|.
  3. Justifier que la série ∑n≥0φn\sum_{n \ge 0} \varphi^n converge dans Lc(E)\mathcal{L}_c(E). On note SS sa somme.
  4. Montrer que S=(IdE−φ)−1S = (\text{Id}_E - \varphi)^{-1}.
  5. Soit g∈Eg \in E. Montrer qu'il existe une unique fonction f∈Ef \in E vérifiant :
    ∀x∈[0,1],f(x)−∫0xf(t) dt=g(x)\forall x \in [0,1],   f(x) - \int_0^x f(t)   dt = g(x)
    Exprimer explicitement ff en fonction de gg.

1.

Pour la question 2.(a), procéder par récurrence ou utiliser la formule de Taylor avec reste intégral appliquée à une primitive appropriée.

2.

Pour la question 3, utiliser le fait que (Lc(E),∥∣⋅∣∥)(\mathcal{L}_c(E), \||\cdot|\|) est un espace de Banach et étudier la convergence absolue.

3.

Pour la question 5, la relation f−φ(f)=gf - \varphi(f) = g peut être vue comme une équation différentielle linéaire du premier ordre en posant F=φ(f)F = \varphi(f).

Idées clés

•

Noyau intégral et formule de Taylor.

•

Complétude de l'espace des endomorphismes continus (Banach).

•

Série de Neumann pour l'inversion d'opérateurs.

•

Lien entre équation intégrale de Volterra et équation différentielle.

Résolution.

  1. Linéarité : La linéarité de l'intégrale assure celle de φ\varphi. Continuité : Soit f∈Ef \in E. Pour tout x∈[0,1]x \in [0,1] :
    ∣φ(f)(x)∣=∣∫0xf(t) dt∣≤∫0x∣f(t)∣ dt≤x∥f∥∞≤∥f∥∞|\varphi(f)(x)| = \left| \int_0^x f(t)   dt \right| \le \int_0^x |f(t)|   dt \le x \|f\|_{\infty} \le \|f\|_{\infty}
    En passant au supremum sur x∈[0,1]x \in [0,1], on obtient ∥φ(f)∥∞≤∥f∥∞\|\varphi(f)\|_{\infty} \le \|f\|_{\infty}. L'application est donc continue et sa norme subordonnée vérifie ∥∣φ∣∥≤1\||\varphi|\| \le 1.
    1. Montrons par récurrence que pour tout n≥1n \ge 1 :
      ∀x∈[0,1],φn(f)(x)=∫0x(x−t)n−1(n−1)!f(t) dt\forall x \in [0,1],   \varphi^n(f)(x) = \int_0^x \frac{(x-t)^{n-1}}{(n-1)!} f(t)   dt
      Initialisation : Pour n=1n=1, on retrouve bien la définition de φ\varphi. Hérédité : Supposons la propriété vraie au rang nn. Alors :
      φn+1(f)(x)=∫0xφn(f)(u) du=∫0x(∫0u(u−t)n−1(n−1)!f(t) dt)du\varphi^{n+1}(f)(x) = \int_0^x \varphi^n(f)(u)   du = \int_0^x \left( \int_0^u \frac{(u-t)^{n-1}}{(n-1)!} f(t)   dt \right) du
      Par le théorème de Fubini (les fonctions sont continues sur un domaine compact), on échange l'ordre d'intégration :
      φn+1(f)(x)=∫0xf(t)(∫tx(u−t)n−1(n−1)! du)dt\varphi^{n+1}(f)(x) = \int_0^x f(t) \left( \int_t^x \frac{(u-t)^{n-1}}{(n-1)!}   du \right) dt
      Le calcul de l'intégrale intérieure donne :
      ∫tx(u−t)n−1(n−1)! du=[(u−t)nn!]tx=(x−t)nn!\int_t^x \frac{(u-t)^{n-1}}{(n-1)!}   du = \left[ \frac{(u-t)^n}{n!} \right]_t^x = \frac{(x-t)^n}{n!}
      D'où le résultat au rang n+1n+1. Par récurrence, on a :
      φn(f)(x)=∫0x(x−t)n−1(n−1)!f(t) dt\boxed{\varphi^n(f)(x) = \int_0^x \frac{(x-t)^{n-1}}{(n-1)!} f(t)   dt}
    2. Pour f∈Ef \in E, on majore :
      ∣φn(f)(x)∣≤∫0x(x−t)n−1(n−1)!∣f(t)∣ dt≤∥f∥∞∫0x(x−t)n−1(n−1)! dt=∥f∥∞xnn!|\varphi^n(f)(x)| \le \int_0^x \frac{(x-t)^{n-1}}{(n-1)!} |f(t)|   dt \le \|f\|_{\infty} \int_0^x \frac{(x-t)^{n-1}}{(n-1)!}   dt = \|f\|_{\infty} \frac{x^n}{n!}
      Ainsi, ∥φn(f)∥∞≤1n!∥f∥∞\|\varphi^n(f)\|_{\infty} \le \frac{1}{n!} \|f\|_{\infty}, ce qui montre que ∥∣φn∣∥≤1n!\||\varphi^n|\| \le \frac{1}{n!}. En considérant la fonction constante f0:x↦1f_0 : x \mapsto 1, on a ∥f0∥∞=1\|f_0\|_{\infty} = 1 et :
      φn(f0)(1)=∫01(1−t)n−1(n−1)! dt=1n!\varphi^n(f_0)(1) = \int_0^1 \frac{(1-t)^{n-1}}{(n-1)!}   dt = \frac{1}{n!}
      Ceci prouve que la borne est atteinte. On conclut :
      ∥∣φn∣∥=1n!\boxed{\||\varphi^n|\| = \frac{1}{n!}}

  2. Puisque EE est un espace de Banach (muni de la norme infinie), l'espace Lc(E)\mathcal{L}_c(E) est également un espace de Banach. Pour montrer la convergence de la série d'opérateurs, étudions sa convergence absolue :
    ∑n=0N∥∣φn∣∥=∑n=0N1n!→N→+∞e\sum_{n=0}^N \||\varphi^n|\| = \sum_{n=0}^N \frac{1}{n!} \xrightarrow[N \to +\infty]{} e
    La série ∑φn\sum \varphi^n converge absolument dans un espace de Banach, donc elle converge vers un élément S∈Lc(E)S \in \mathcal{L}_c(E).
  3. Par continuité de la composition dans Lc(E)\mathcal{L}_c(E), on a :
    (IdE−φ)∘S=(IdE−φ)∘lim⁡N→∞∑n=0Nφn=lim⁡N→∞(∑n=0Nφn−∑n=1N+1φn)(\text{Id}_E - \varphi) \circ S = (\text{Id}_E - \varphi) \circ \lim_{N \to \infty} \sum_{n=0}^N \varphi^n = \lim_{N \to \infty} \left( \sum_{n=0}^N \varphi^n - \sum_{n=1}^{N+1} \varphi^n \right)
    Par télescopage, il reste :
    (IdE−φ)∘S=lim⁡N→∞(IdE−φN+1)(\text{Id}_E - \varphi) \circ S = \lim_{N \to \infty} (\text{Id}_E - \varphi^{N+1})
    Or ∥∣φN+1∣∥=1(N+1)!→0\||\varphi^{N+1}|\| = \frac{1}{(N+1)!} \to 0, donc φN+1→0\varphi^{N+1} \to 0 dans Lc(E)\mathcal{L}_c(E). Ainsi (IdE−φ)∘S=IdE(\text{Id}_E - \varphi) \circ S = \text{Id}_E. De même, S∘(IdE−φ)=IdES \circ (\text{Id}_E - \varphi) = \text{Id}_E. On en déduit que IdE−φ\text{Id}_E - \varphi est inversible et :
    S=(IdE−φ)−1\boxed{S = (\text{Id}_E - \varphi)^{-1}}

  4. L'équation s'écrit (IdE−φ)(f)=g(\text{Id}_E - \varphi)(f) = g. D'après la question précédente, l'opérateur IdE−φ\text{Id}_E - \varphi est bijectif de EE dans EE, donc il existe une unique solution f=S(g)=∑n=0∞φn(g)f = S(g) = \sum_{n=0}^{\infty} \varphi^n(g). Pour trouver l'expression de ff, posons h(x)=∫0xf(t) dth(x) = \int_0^x f(t)   dt. Alors hh est de classe C1\mathcal{C}^1, h(0)=0h(0)=0 et h′=fh' = f. L'équation devient :
    h′(x)−h(x)=g(x)h'(x) - h(x) = g(x)
    C'est une équation différentielle linéaire du premier ordre. En utilisant le facteur intégrant e−xe^{-x} :
    ddx(h(x)e−x)=g(x)e−x\frac{d}{dx} (h(x) e^{-x}) = g(x) e^{-x}
    En intégrant entre 00 et xx (sachant h(0)=0h(0)=0) :
    h(x)e−x=∫0xg(t)e−t dt  ⟹  h(x)=ex∫0xg(t)e−t dth(x) e^{-x} = \int_0^x g(t) e^{-t}   dt \implies h(x) = e^x \int_0^x g(t) e^{-t}   dt
    Comme f=g+hf = g + h, on obtient finalement :
    f(x)=g(x)+∫0xex−tg(t) dt\boxed{f(x) = g(x) + \int_0^x e^{x-t} g(t)   dt}

Vérifier la convergence de la série des normes quand la norme de l'opérateur est égale à 1.

Formule de Cauchy pour les intégrales itérées et expression de la série de Neumann.