mathématiques MPSI · Chapitre 16 · Exercice de TD
Une intégrale égale à un demi force un point fixe
Intégration · B. Propriétés de l'intégrale · niveau 2
Énoncé
Soit continue sur , à valeurs réelles, telle que . Montrer que admet un point fixe : il existe tel que . Le résultat subsiste-t-il si est seulement continue par morceaux ?
Corrigé
La stratégie. Il faut transformer une information globale — la valeur d'une intégrale — en une information ponctuelle — l'existence d'un . C'est exactement ce que sait faire le théorème « continue, de signe constant, d'intégrale nulle, donc nulle », combiné au théorème des valeurs intermédiaires. On raisonne par l'absurde.
La fonction auxiliaire. Posons , continue sur . Elle est faite pour que « a un point fixe » devienne « s'annule ». Son intégrale se calcule : C'est là que la valeur de l'énoncé prend son sens : c'est la valeur moyenne de l'identité sur .
Le raisonnement par l'absurde. Supposons que ne s'annule en aucun point de . Comme est continue sur un intervalle, le théorème des valeurs intermédiaires interdit à de prendre deux valeurs de signes contraires sans s'annuler entre les deux : garde donc un signe strict constant, partout ou partout.
Traitons le cas ; l'autre s'y ramène en remplaçant par , dont l'intégrale est aussi nulle. Alors est continue, positive, d'intégrale nulle sur : le théorème du cours donne sur , ce qui contredit .
Donc s'annule : il existe tel que .
Le point délicat. La continuité sert deux fois — pour le théorème des valeurs intermédiaires, et pour « positive d'intégrale nulle, donc nulle » — et sa perte est fatale. Voici une fonction continue par morceaux qui met l'énoncé en défaut : On a et , donc ; et pourtant en tout point : aucun point fixe. Le résultat ne subsiste pas.
Trois contrôles. : ; les points fixes sont les racines de , de discriminant , à savoir et , toutes deux dans . La constante : point fixe . L'identité : tout point est fixe.
Ce que l'exercice installe. Le trio « continue de signe constant intégrale nulle identiquement nulle » est l'outil qui fait passer d'une égalité intégrale à un énoncé point par point. C'est lui qui rend défini positif, donc produit scalaire, au chapitre précédent ; c'est lui, ici, qui extrait un point fixe de la seule donnée d'un nombre. Chaque fois qu'une hypothèse est une intégrale et que la conclusion est ponctuelle, c'est ce théorème qu'il faut appeler — après avoir fabriqué la bonne fonction auxiliaire.
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