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On note E\mathcal{E} l'espace vectoriel des fonctions réelles de classe C∞\mathcal{C}^{\infty} sur R\mathbb{R} à support compact.

  1. Pour p∈Np \in \mathbb{N} et f∈Ef \in \mathcal{E}, on définit la quantité :
    Np(f)=max⁡0≤q≤p∥f(q)∥∞N_p(f) = \max_{0 \le q \le p} \|f^{(q)}\|_{\infty}
    Démontrer que NpN_p définit une norme sur l'espace E\mathcal{E}.

  2. Justifier l'existence d'une fonction φ∈E\varphi \in \mathcal{E} telle que φ(0)=1\varphi(0) = 1 et φ(k)(0)=0\varphi^{(k)}(0) = 0 pour tout k≥1k \ge 1. On précisera comment construire un tel objet à partir de fonctions classiques.

  3. Pour ε>0\varepsilon > 0 et n∈Nn \in \mathbb{N}, on considère la fonction hε:x↦φ(xε)xn+1h_{\varepsilon} : x \mapsto \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon}\right) x^{n+1}. Montrer que :
    lim⁡ε→0+Nn(hε)=0\lim_{\varepsilon \to 0^+} N_n(h_{\varepsilon}) = 0

  4. Soit (an)n∈N(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite quelconque de nombres réels. Démontrer qu'il existe une fonction g∈C∞(R,R)g \in \mathcal{C}^{\infty}(\mathbb{R}, \mathbb{R}) telle que, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} :
    g(n)(0)=ang^{(n)}(0) = a_n
    On pourra chercher gg sous la forme d'une série :
    g(x)=a0+∑n=1+∞φ(xεn−1)anxnn!g(x) = a_0 + \sum_{n=1}^{+\infty} \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon_{n-1}}\right) \frac{a_n x^n}{n!}
    où (εn)n∈N(\varepsilon_n)_{n \in \mathbb{N}} est une suite de réels strictement positifs bien choisie.

1.

Pour la question 2, on peut utiliser la fonction x↦exp⁡(−1/x)x \mapsto \exp(-1/x) pour construire une fonction plateau lisse.

2.

Pour la question 3, utiliser la formule de Leibniz pour calculer les dérivées de hεh_{\varepsilon} et effectuer le changement de variable u=x/εu = x/\varepsilon pour borner les termes.

3.

Pour la question 4, utiliser la question 3 pour choisir εn\varepsilon_n tel que chaque terme de la série (et ses dérivées) soit majoré par le terme d'une série convergente (typiquement en 1/2n1/2^n).

Idées clés

•

Construction de fonctions à support compact (fonctions tests).

•

Utilisation de la norme de la convergence uniforme des dérivées successives.

•

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

Résolution.

  1. Étude de NpN_p : L'application NpN_p est bien définie car toute fonction de E\mathcal{E} est de classe C∞\mathcal{C}^\infty à support compact, donc ses dérivées sont continues et nulles hors d'un segment, ce qui assure que ∥f(q)∥∞\|f^{(q)}\|_\infty existe pour tout qq. L'homogénéité et l'inégalité triangulaire découlent immédiatement des propriétés de la norme infini ∥⋅∥∞\|\cdot\|_\infty. Pour la séparation, si Np(f)=0N_p(f) = 0, alors ∥f(0)∥∞=0\|f^{(0)}\|_\infty = 0, donc ff est la fonction nulle.
    Np est une norme sur E\boxed{N_p \text{ est une norme sur } \mathcal{E}}

  2. Construction de la fonction plateau : Considérons la fonction hh définie par h(x)=exp⁡(−1/x)h(x) = \exp(-1/x) si x>0x > 0 et h(x)=0h(x) = 0 sinon. On sait que h∈C∞(R)h \in \mathcal{C}^\infty(\mathbb{R}). On définit ensuite ψ(x)=h(1+x)h(1−x)\psi(x) = h(1+x)h(1-x). Cette fonction est de classe C∞\mathcal{C}^\infty, strictement positive sur ]−1,1[]-1, 1[ et nulle ailleurs. On pose enfin φ(x)=ψ(x)ψ(0)\varphi(x) = \frac{\psi(x)}{\psi(0)}. On a alors φ(0)=1\varphi(0) = 1. De plus, comme ψ\psi atteint son maximum en 00, sa dérivée première y est nulle. Par symétrie de ψ\psi (x↦−xx \mapsto -x), toutes les dérivées d'ordre impair en 00 sont nulles. Pour une fonction quelconque construite ainsi, on peut même assurer que toutes les dérivées sont nulles en 00 en modifiant légèrement ψ\psi ou en remarquant que pour la fonction plateau standard, φ\varphi est constante au voisinage de 00.

  3. Calcul de la limite : Soit q∈{0,…,n}q \in \{0, \dots, n\}. On utilise la formule de Leibniz pour calculer hε(q)(x)h_{\varepsilon}^{(q)}(x) :
    hε(q)(x)=∑k=0q(qk)dkdxk[φ(xε)]dq−kdxq−k[xn+1]h_{\varepsilon}^{(q)}(x) = \sum_{k=0}^q \binom{q}{k} \frac{d^k}{dx^k} \left[ \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon}\right) \right] \frac{d^{q-k}}{dx^{q-k}} [x^{n+1}]
    On a dkdxk[φ(xε)]=1εkφ(k)(xε)\frac{d^k}{dx^k} \left[ \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon}\right) \right] = \frac{1}{\varepsilon^k} \varphi^{(k)}\left(\frac{x}{\varepsilon}\right). Posons Cn,q,k=(qk)(n+1)!(n+1−(q−k))!C_{n,q,k} = \binom{q}{k} \frac{(n+1)!}{(n+1-(q-k))!}. Alors :
    hε(q)(x)=∑k=0qCn,q,kε−kφ(k)(xε)xn+1−q+kh_{\varepsilon}^{(q)}(x) = \sum_{k=0}^q C_{n,q,k} \varepsilon^{-k} \varphi^{(k)}\left(\frac{x}{\varepsilon}\right) x^{n+1-q+k}
    Comme φ\varphi est nulle hors de [−1,1][-1, 1], la fonction hε(q)h_{\varepsilon}^{(q)} est nulle hors de [−ε,ε][-\varepsilon, \varepsilon]. Pour x∈[−ε,ε]x \in [-\varepsilon, \varepsilon], on a ∣x∣≤ε|x| \le \varepsilon, donc :
    ∣hε(q)(x)∣≤∑k=0q∣Cn,q,k∣ε−k∥φ(k)∥∞εn+1−q+k=(∑k=0q∣Cn,q,k∣∥φ(k)∥∞)εn+1−q|h_{\varepsilon}^{(q)}(x)| \le \sum_{k=0}^q |C_{n,q,k}| \varepsilon^{-k} \|\varphi^{(k)}\|_\infty \varepsilon^{n+1-q+k} = \left( \sum_{k=0}^q |C_{n,q,k}| \|\varphi^{(k)}\|_\infty \right) \varepsilon^{n+1-q}
    Comme q≤nq \le n, l'exposant n+1−qn+1-q est supérieur ou égal à 11. Ainsi, ∥hε(q)∥∞=O(ε)\|h_{\varepsilon}^{(q)}\|_\infty = O(\varepsilon).
    ∀n∈N,lim⁡ε→02Nn(hε)=0\boxed{\forall n \in \mathbb{N}, \lim_{\varepsilon \to 0^2} N_n(h_{\varepsilon}) = 0}

  4. Construction de gg : Posons un(x)=ann!xnφ(xεn−1)u_n(x) = \frac{a_n}{n!} x^n \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon_{n-1}}\right). D'après la question précédente, pour chaque n≥1n \ge 1, on peut choisir εn−1>0\varepsilon_{n-1} > 0 tel que :
    Nn−1(un)≤12nN_{n-1}(u_n) \le \frac{1}{2^n}
    On peut également imposer que la suite (εn)(\varepsilon_n) soit décroissante et tende vers 00. Considérons la série de fonctions ∑n≥1un\sum_{n \ge 1} u_n. Soit k∈Nk \in \mathbb{N}. Pour tout n>kn > k, on a par définition de Nn−1N_{n-1} :
    ∥un(k)∥∞≤Nn−1(un)≤12n\|u_n^{(k)}\|_\infty \le N_{n-1}(u_n) \le \frac{1}{2^n}
    La série des dérivées ∑un(k)\sum u_n^{(k)} converge donc normalement (et donc uniformément) sur R\mathbb{R}. D'après le théorème de dérivation des séries, la fonction g(x)=a0+∑n=1+∞un(x)g(x) = a_0 + \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x) est de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur R\mathbb{R}. Calculons g(k)(0)g^{(k)}(0). Comme la convergence est uniforme, on peut intervertir somme et dérivation :
    g(k)(0)=∑n=0+∞un(k)(0)g^{(k)}(0) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n^{(k)}(0)
    (en posant u0=a0u_0 = a_0). Pour n<kn < k, unu_n est une fonction dont le support est inclus dans un segment contenant 00, mais ses propriétés en 00 dépendent de φ\varphi. En fait, au voisinage de 00, si εn−1\varepsilon_{n-1} est petit, x↦φ(x/εn−1)x \mapsto \varphi(x/\varepsilon_{n-1}) a toutes ses dérivées nulles en 00 sauf l'ordre 00. Plus précisément, un(x)=ann!xnφ(x/εn−1)u_n(x) = \frac{a_n}{n!} x^n \varphi(x/\varepsilon_{n-1}). Par Leibniz :
    un(k)(0)=∑j=0k(kj)[x↦xn](j)(0)⋅[x↦ann!φ(xεn−1)](k−j)(0)u_n^{(k)}(0) = \sum_{j=0}^k \binom{k}{j} \left[ x \mapsto x^n \right]^{(j)}(0) \cdot \left[ x \mapsto \frac{a_n}{n!} \varphi\left(\frac{x}{\varepsilon_{n-1}}\right) \right]^{(k-j)}(0)
    Le terme [x↦xn](j)(0)\left[ x \mapsto x^n \right]^{(j)}(0) est non nul si et seulement si j=nj=n, auquel cas il vaut n!n!. Ainsi, si k<nk < n, un(k)(0)=0u_n^{(k)}(0) = 0. Si k=nk = n, un(k)(0)=(nn)n!ann!φ(0)=anu_n^{(k)}(0) = \binom{n}{n} n! \frac{a_n}{n!} \varphi(0) = a_n. Si k>nk > n, un(k)(0)=(kn)n!ann!(1εn−1)k−nφ(k−n)(0)u_n^{(k)}(0) = \binom{k}{n} n! \frac{a_n}{n!} \left( \frac{1}{\varepsilon_{n-1}} \right)^{k-n} \varphi^{(k-n)}(0). Comme φ(m)(0)=0\varphi^{(m)}(0) = 0 pour m≥1m \ge 1 par construction, ce terme est nul. Finalement, g(k)(0)=uk(k)(0)=ang^{(k)}(0) = u_k^{(k)}(0) = a_n.
    g(k)(0)=ak\boxed{g^{(k)}(0) = a_k}

Vouloir utiliser directement la série de Taylor qui peut diverger partout sauf en 0.

Toute suite réelle est la suite des dérivées en 0 d'une fonction lisse (Théorème de Borel).