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Niveau Maths sup
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Fonction continue: demonstration

Posté par jmix90 (invité) 16-08-05 à 00:51

Bonjour,

Oui c'est encore moi avec un problème !

J'ai une fonction f continue sur [0;1] avec f(0)=f(1) et je dois montrer que:

\textrm \forall n\in\mathbb{N}^* \textrm \exists x_n\in [0;1-\frac{1}{n+1}]\textrm tel que f(x_n)=f(x_n+\frac{1}{n+1})

Seulement je ne sais pas par quel bout commencer.

Merci d'avance pour votre précieuse aide.

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re:Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 04:30

Bonsoir jmix90;
tu raisonnes par l'absurde et tu as donc l'existence d'un entier strictement positif n_0 tel que:
\{{\forall x\in[0,1-\frac{1}{n_0+1}]\\f(x)\neq f(x+\frac{1}{n_0+1})
tu considéres alors la fonction g:\{{[0,1-\frac{1}{n_0+1}]\to\mathbb{R}\\g(x)=f(x+\frac{1}{n_0+1})-f(x)
g est continue et ne s'annule pas sur [0,1-\frac{1}{n_0+1}] on déduit donc qu'elle y garde un signe constant que l'on peut supposer strictement positif ( en changeant f en -f qui vérifie les mm hypothéses que f )
et on a donc:
\{{\forall k\in\{0,..,n_0}}\\g(\frac{k}{n_0+1})>0
c'est à dire que:
\{{\forall k\in\{0,..,n_0}}\\f(\frac{k+1}{n_0+1})-f(\frac{k}{n_0+1})>0
en sommant ces (n_0+1) inégalités on aboutit à la contradiction 2$\red f(1)>f(0)

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 04:32


L'énoncé commence par "f continue", et se termine par "montrer qu'il existe xn tel que f(...)=0" à peu de choses près => théorème des valeurs intermédiaires !

Première étape : visualiser au brouillon, pour comprendre

Trace f en forme de cloche avec f(0)=f(1)=0
Trace sur le même graphe x|\to f(x+0,2), qui est la même courbe, légèrement décalée. On voit que, avec cette disposition initiale, les deux courbes se croisent "nécessairement" après le maximum de f

Deuxième étape : démonstration

Soit n entier naturel >0

f est continue sur [0;1-\frac{1}{n+1}]
Donc f([0;1-\frac{1}{n+1}]) est un intervalle [m;M]
m est le minimum de f sur [0;1-\frac{1}{n+1}]
M est le maximum de f sur [0;1-\frac{1}{n+1}]
Soit x_m dans [0;1-\frac{1}{n+1}] tel que f(x_m)=m (x_m est le point où f atteint son minimum sur [0;1-\frac{1}{n+1}])
Soit x_M dans [0;1-\frac{1}{n+1}] tel que f(x_M)=M (x_M est le point où f atteint son maximum sur [0;1-\frac{1}{n+1}])

Soit \phi définie sur [0;1-\frac{1}{n+1}] par : \phi(x)=f(x+\frac{1}{n+1})-f(x)
\phi(x_m)=f(x_m+\frac{1}{n+1})-m \ge 0
\phi(x_M)=f(x_M+\frac{1}{n+1})-M \le 0
\phi est continue sur [x_m;x_M].
Donc, d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe x_n dans [x_m;x_M], donc a fortiori dans [0;1-\frac{1}{n+1}] tel que \phi(x_n)=0
C'est-à-dire :
il existe x_n dans [0;1-\frac{1}{n+1}] tel que f(x_n)=f(x_n+\frac{1}{n+1})

Sauf erreur.

Nicolas

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 04:59

Non, ma démonstration est fausse.
Car m est le minimum de f uniquement sur [0;1-1/n+1]
Donc rien ne dit que phi(xm) >= 0

Désolé.

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 05:14

Je me pose une question, et espère que je ne vais pas dire de bêtises.
Est-il vrai, plus généralement, que :

Soit f continue sur [0;1] telle que f(0)=f(1)
Soit \beta réel quelconque tel que 0\le\beta\le\frac{1}{2}
Alors il existe x_0 dans [0;1-\beta] tel que f(x_0)=f(x_0+\beta)

Nicolas

Posté par jmix90 (invité)re : Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 14:48

bonjour,

elhor, pour sommer les inégalités, il faut que f soit linéaire non ?

Nicolas, et si on prends m,  minimum de f sur [0;1] et M maximum de f sur [0;1], ca marche non?

Merci pour votre précieuse, et a Nico qui explique bien la méthode! c'est génial!

Amicalement,

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 16-08-05 à 16:17

jmix90,

Sauf erreur, ma méthode ne me permet pas de conclure, du moins, je crois.
En effet, si on fait, comme tu le dis :
m = minimum de f sur [0;1] atteint en xm
M = maximum de f sur [0;l] atteint en xM

Alors on n'est pas sûr que xm et xm appartiennent à [0;1-1/n+1], donc on ne peut pas utiliser phi. Malheureusement.

Regarde plutôt la méthode d'elhor. f n'a pas besoin d'être linéaire. C'est une simplification du genre :
ab---
a+b a
Nicolas

Posté par jmix90 (invité)OK 16-08-05 à 17:14

Ok nico, je vais voir ca tout de suite ! Dommage ta méthode me paraisait plus compréhensible !

Amicalement,

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 04:00

Bonsoir Nicolas_75;
Le résultat n'est vrai que si \beta\in\{\frac{1}{n+1}/n\in\mathbb{N}\}

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 04:52

Merci, elhor_abdelali.

Nicolas

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 06:20

Rebonsoir Nicolas_75;
Pour \beta=1 c'est vrai puisque 0\in[0,0] et f(0)=f(0+1)
Pour \beta\in]\frac{1}{2},1[ considérons la fonction f_\betatelle que:
3$ f_{\beta}(x)=\{{x,0\le x\le1-\beta\atop\ \frac{1-\beta}{2\beta-1}(1-2x),1-\beta\le x\le\beta\\x-1,\beta\le x\le1
on a f_{\beta} continue et f_{\beta}(0)= f_{\beta}(1)=0 et pourtant:
\{{\forall x\in[0,1-\beta]\\f_{\beta}(x+\beta)-f_{\beta}(x)=(x-1)-x=-1\neq0

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 07:46

Une petite erreur de frappe;
\{{\forall x\in[0,1-\beta]\\f_{\beta}(x+\beta)-f_{\beta}(x)=(x+\beta-1)-x=\beta-1\neq0

Posté par
elhor_abdelali Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 08:58

Pour 3$\blue b\in]\frac{1}{3},\frac{1}{2}[ on peut considérer la fonction 3$f_b suivante (voir image attachée)
il est clair que f_b est continue (courbe en rouge) et f_b(0)=f_b(1)=2
la courbe en pointillé vert est l'image de la courbe de f_b sur[0,1-b] par la translation de vecteur (b,0) et le fait qu'elle est strictement en dessous de la courbe de f_b sur [b,1] montre que:
3$\{{\forall x\in[0,1-b]\\f_b(x+b)>f_b(x)
on peut s'en convaincre analytiquement.
Ce contre-exemple est facilement généralisable au cas 3$\blue\frac{1}{n+2}<b<\frac{1}{n+1}
Voilà Nicolas_75,j'espére que j'ai répondu à ta question
Sauf erreur bien entendu

Fonction continue: demonstration

Posté par
Nicolas_75 Correcteur
re : Fonction continue: demonstration 20-08-05 à 10:32

Un grand merci, elhor_abdelali

Nicolas



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