Supposons A tout réel associons le réel
D’une part :
et d’autre part :
Par conséquent, si l’on choisit on voit que pour tout on peut trouver un couple vérifiant :
Ainsi, n’est pas UC lorsque
Supposons maintenant La restriction de à est UC d’après le théorème de Heine. De plus, pour tout tel que il existe (d’après la formule des accroissements finis) tel que :
or et donc :
Ainsi, la restriction de à est lipschitzienne, donc UC elle aussi.
Par conséquent, est UC.
Quant au cas il est évident. En conclusion :
En choisissant on voit que pour tout on peut trouver vérifiant :
Il suffit en effet de considérer et (puisque Par conséquent :
Passons à l’application
L’allure de son graphe suggère de considérer les couples formés d’un minimum local et du maximum local suivant : l’écart des abscisses sera arbitrairement petit tandis que l’écart des ordonnées sera fixe.
Posons donc, pour tout :
Alors (quantité conjuguée) :
tandis que :
En choisissant on peut donc trouver, pour tout un couple tel que :
Par conséquent :
Montrons que est uniformément continue.
Soit Comme est UC, il existe tel que :
De même, il existe tel que :
Posons Grâce à l’inégalité triangulaire, on voit que si vérifie alors :
Pour le produit, c’est différent. Par exemple, si alors est l’application qui n’est pas UC, bien que et le soient.
Considérons maintenant un couple d’applications UC et bornées de dans .
Notons deux réels strictement positfs tels que :
On observe que, pour tout :
Etant donné il existe et tels que pour tout :
et
On voit maintenant que :
On a montré la …
Proposition
Le produit de deux applications UC et bornées est UC
Soit On peut artificiellement écrire, pour tout :
Etant donné on commence par choisir assez grand pour que :
puis tel que :
ce qui est possible puisque est UC.
Au final, on voit que pour tout :
On a montré la …
Proposition
Pour toute suite uniformément convergente d’applications UC, la limite est UC.
Soit une période de Le théorème de Heine assure l’uniforme continuité de sur Donc, étant donné il existe tel que :
Imposons en outre (c’est possible, quitte à remplacer par
Soient vérifiant
Supposons, sans perte de généralité, que et notons
Alors : et
Ainsi et donc :
On a montré la …
Proposition
Toute application continue et périodique est UC.
Soit Il existe par hypothèse tel que :
En particulier, on voit que si et appartiennent tous deux à alors
Autrement dit, vérifie le critère de Cauchy au point Comme est complet, il en résulte que admet en une limite finie.
Bien entendu, la situation est analogue en
On peut donc prolonger en une application continue
Mais on sait que tout application continue sur un segment, à valeurs réelles, est bornée.
En conséquence, est bornée.
Dans l’exercice 2, on a vu directement que l’application n’est pas uniformément continue. On peut voir cela comme conséquence du résultat précédent. En effet, si était UC alors sa restriction à serait UC donc bornée : contradiction !
Posons, pour tout :
et
Détail (cliquer pour déplier / replier)
Pour que la somme qui définit ait un sens, encore faut-il que les réels auxquels est appliquée soient tous dans
Et c’est bien le cas, parce qu’on a supposé ce qui entraîne :
En supposant seulement on aurait un problème de définition pour
On sait (théorème de convergence des sommes de Riemann) que :
Il suffit donc de montrer que :
pour conclure que :
Or, d’après inégalité triangulaire :
Etant donné il existe (théorème de Heine) un réel tel que :
Par ailleurs, est bornée. On en déduit que, dès que la condition
est remplie :
ce qui prouve
Question 1
Supposons (H) remplie et supposons de plus que admette en une limite, finie ou non.
Dans un premier temps, supposons qu’il s’agisse d’une limite finie Il existe alors un réel tel que :
d’où, pour tout :
D’après la relation de Chasles et en posant :
Il s’ensuit que :
ce qui contredit la convergence de l’intégrale impropre.
En remplaçant par on voit que ne peut pas non plus être strictement négative.
Et en adaptant très légèrement ce qui précède, on voit que ne peut pas non posséder en une limite infinie. Ainsi, il est nécessaire que la limite soit nulle.
Question 2
Dans l’illustration ci-dessous, les triangles coloriés en bleu ont pour aires respectives :
or, ce sont là les premiers termes d’une série (géométrique) convergente.
Transformons cette idée en une preuve rigoureuse, en posant pour tout et tout :
On définit ainsi une application par ses restrictions aux intervalles pour
Il sera peut-être plus clair de reformuler comme suit. Pour tout entier :
- ,
- la restriction de à chacun des segments et est affine.
L’hypothèse (H) est vérifiée puisque, d’une part, est continue (par construction) et, d’autre part, pour tout :
ce qui entraîne que l’application est croissante (puisque est positive) et majorée (par donc (théorème de la limite monotone) admet en une limite finie (qui est d’ailleurs égale à
Pourtant, n’admet pas de limite en puisqu’en posant
on constate que :
tandis que :
(ces deux dernières suites sont constantes !).
Question 3
Supposons que n’admette pas pour limite en :
On peut alors construire (par récurrence) une suite strictement croissante telle que :
Quitte à tronquer la suite on peut imposer en outre
Détail (cliquer pour déplier / replier)
La condition garantit que les segments qui apparaissent ci-après sont tous contenus dans ce qui va permettre d’appliquer à leurs éléments.
Comme est uniformément continue, il existe tel que :
En particulier :
et à fortiori :
D’après la théorème des valeurs intermédiaires, garde un signe constant sur chacun des segments Donc, pour tout :
ce qui est absurde dès que est assez grand.
Rappelons que est supposée continue et qu’on a posé, pour tout et tout :
Pour tout tel couple , il existe (d’après la formule de la moyenne) un réel
tel que :
Introduisons la somme de Riemann :
On sait que :
Par inégalité triangulaire, pour tout :
étant UC (théorème de Heine), il existe pour tout un réel tel que :
Ainsi :
On a prouvé que :
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