Adloun

n'est pas périodique

Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques MPSI, chapitre 4 — Calcul différentiel et intégral · A. Généralités sur les fonctions

Énoncé

Soit .

a) Montrer que pour tout réel , et que si et seulement si (on utilisera l'irrationalité de ).

b) En déduire que n'est pas périodique.

c) Soient . Montrer que est périodique si et seulement si , et donner alors une période.

Corrigé

La stratégie. Une fonction -périodique reprend en la valeur qu'elle a en . Si l'on sait que atteint son maximum en seulement, aucune période n'est possible : forcerait . Tout revient donc à localiser les points où le maximum est atteint, et c'est l'irrationalité de qui les réduit à un seul. Ce qu'on a le droit d'utiliser : avec égalité si et seulement si , et .

a) Le maximum, atteint une seule fois. Pour tout , et , donc . Il y a égalité si et seulement si les deux cosinus valent simultanément, c'est-à-dire Supposons et ces deux conditions vérifiées : avec , , et avec . Alors , d'où : un rationnel. Contradiction. Donc si et seulement si (et effectivement).

b) Aucune période. Supposons, par l'absurde, que soit -périodique pour un . Alors , donc, par le a), : contradiction. n'est pas périodique. Et pourtant chacun des deux termes l'est — de périodes et — ce qui montre que la somme de deux fonctions périodiques n'est pas périodique en général.

Le point délicat. Il ne suffit pas de dire « les deux périodes sont incommensurables » : c'est une intuition, pas une preuve. La preuve passe par le maximum : une période transporterait le point , où le maximum est atteint, en un point où il devrait l'être aussi, et l'irrationalité de interdit un tel point.

c) Le cas général. Si . Écrivons avec , et posons (les deux valeurs sont égales, car ). Alors et sont des multiples de , donc pour tout , est -périodique.

Réciproquement, si est -périodique avec , alors , donc , donc et avec ; comme et , on a , et . est périodique si et seulement si est rationnel, et le a)–b) en est le cas , . (La période trouvée n'est pas toujours la plus petite ; la plus petite est lorsque est la fraction irréductible, ce qu'on pourrait démontrer avec l'arithmétique du chapitre 7.)

Ce que l'exercice installe. Pour étudier la périodicité d'une fonction, on ne cherche pas une période « à vue » : on cherche un point remarquable — un maximum, un zéro isolé — et l'on regarde si la fonction peut le reproduire ailleurs. Et l'on retiendra le fait, qui reviendra en physique avec les battements de l'exercice 9 : deux oscillations de périodes de rapport irrationnel ne se recomposent jamais exactement.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.