mathématiques MPSI · Chapitre 1 · Exercice de TD
Une équation fonctionnelle, par analyse-synthèse
Raisonnement et vocabulaire ensembliste · C. Modes de raisonnement · niveau 2
Énoncé
Déterminer toutes les applications telles que
Corrigé
La stratégie. On ne connaît aucune solution, et l'on ne peut pas « résoudre » une équation dont l'inconnue est une fonction. On raisonne donc par analyse-synthèse : on suppose qu'une solution existe, on en déduit sa forme nécessaire (analyse), puis on vérifie que cette forme convient effectivement (synthèse). Les deux temps sont indispensables et l'on dira pourquoi.
Analyse. Soit une solution. La relation est vraie pour tout réel ; on peut donc l'appliquer non seulement en mais en , qui est aussi un réel. En remplaçant par , et en remarquant que , on obtient une seconde relation : On dispose maintenant de deux équations aux deux « inconnues » et : On élimine : deux fois la seconde moins la première donne Donc, si est solution, nécessairement
Synthèse. Réciproquement, soit l'application définie par cette formule. Il faut vérifier qu'elle satisfait l'équation de départ — ce n'est pas automatique, car l'analyse n'a fourni qu'une condition nécessaire. Pour tout réel : d'où La formule convient.
Conclusion. L'équation admet une solution et une seule : .
Le point délicat, et pourquoi la synthèse n'est pas une formalité. L'analyse a utilisé l'équation en deux points, et , et en a tiré une conséquence. Une conséquence d'une hypothèse n'est pas équivalente à cette hypothèse : si l'on avait, par une erreur de calcul, obtenu une autre formule, l'analyse n'aurait rien signalé — c'est la synthèse qui l'aurait rejetée. Et il existe des équations fonctionnelles dont l'analyse produit un candidat qui, à la synthèse, ne convient pas : l'ensemble des solutions est alors vide. L'analyse dit « pas d'autre solution que celle-ci » ; seule la synthèse dit « celle-ci en est une ».
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