Solution pour le challenge n° 41

Solution pour le challenge 41

Considérons une bijection continue et (strictement) croissante :

$\varphi :[0,1 [\to[ 1,+\infty [$

Nécessairement $\varphi(0)=1$ . En effet, si l’on avait $\varphi(0)>1$ , alors aucun élément de $[1,\varphi(0)[$ ne posséderait d’antécédent, en raison de la croissance de $\varphi$ . Et ceci contredirait la surjectivité de $\varphi$ .

Pour fixer les idées, on peut choisir par exemple :

$\varphi:[0,1 [\to[1,+\infty[,\;x\mapsto\frac1{1-x}$

(ce qui correspond au graphe ci-dessous) mais ce n’est qu’une possibilité parmi tant d’autres.

Définissons maintenant $f$ de $[0,+\infty[$ dans lui-même par :

$\boxed{x\mapsto\left\{\begin{matrix}\varphi(x) &\text{si }0\leqslant x<1\\\\\varphi^{-1}(x) &\text{si }x\geqslant1\end{matrix}\right.}$

On constate que, pour tout $x\in[0,1[$ :

$f(f(x))=\varphi^{-1}(\varphi(x))=x$

et, pour tout $x\in[1,+\infty[$

$f(f(x))=\varphi(\varphi^{-1}(x))=x$

Ainsi $f$ est une involution (ce qui signifie que $f\circ f=id_{[0,+\infty[}$ ) et ceci prouve en particulier son caractère bijectif.

En outre, $f$ est continue en 0 et $f^{-1}$ (c’est-à-dire $f$ ) est discontinue en $1=f(0)$ .

Ceci est à comparer au théorème de la bijection dans sa « version continue » (il existe une version dérivable, une version $\mathcal{C}^k$ …), dont l’énoncé est rappelé ci-dessous :