mathématiques MPSI · Chapitre 6 · Exercice de TD
Continuité d'une fonction monotone : les sauts se lisent sur l'image
Limites, continuité, dérivabilité, convexité · A. Limites de fonctions · niveau 2
Énoncé
Soit une fonction croissante sur un intervalle , et un point intérieur à .
a) Montrer que admet en une limite à gauche et une limite à droite , finies, et que .
b) Montrer que est continue en si et seulement si .
c) Montrer que est continue sur si et seulement si est un intervalle.
d) Application : soit continue et strictement monotone sur . Montrer que sa réciproque est continue. (C'est la démonstration, non exigible, du théorème de la bijection.)
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. La propriété de la borne supérieure ; le théorème de la limite monotone pour les fonctions, que l'on redémontre ci-dessous dans le cas utile ; le théorème des valeurs intermédiaires pour le sens facile du c). L'idée directrice : une fonction monotone n'a que des discontinuités de saut, et un saut laisse un trou dans l'image.
a) Les limites latérales. Considérons l'ensemble . Il est non vide, car est intérieur à (il existe des points de à gauche de ), et majoré par , par croissance. Il admet donc une borne supérieure . Montrons que quand . Soit : par caractérisation du sup, il existe dans tel que . Pour tout , la croissance donne , donc . C'est la définition de la limite à gauche : .
De même, est non vide et minoré par ; sa borne inférieure est la limite à droite, et . D'où l'encadrement .
b) La caractérisation. est continue en si et seulement si elle l'est à gauche et à droite, c'est-à-dire si et seulement si . Si c'est le cas, alors . Réciproquement, si , l'encadrement du a) force : est continue en . Une fonction monotone est donc discontinue en un point exactement quand elle y fait un saut .
c) Continuité et image. Sens direct. Si est continue sur l'intervalle , alors est un intervalle : c'est le corollaire du théorème des valeurs intermédiaires.
Sens réciproque, par contraposée. Supposons discontinue en un point et montrons que n'est pas un intervalle. Deux cas.
Si est intérieur à : d'après b), . Choisissons dans l'intervalle ouvert , différent de (c'est possible : un intervalle ouvert non vide contient une infinité de réels). Alors : pour , (la borne supérieure majore ) ; pour , ; et . Pourtant, en prenant dans , on a : est compris entre deux éléments de sans appartenir à . Par la caractérisation des intervalles, n'est pas un intervalle.
Si est une extrémité de , par exemple son minimum : seule la limite à droite existe, et la discontinuité signifie . Un vérifie pour tout dans , et : même conclusion. Le cas du maximum est symétrique.
Ainsi monotone est continue sur si et seulement si est un intervalle.
d) La réciproque d'une bijection continue. Soit continue et strictement croissante sur (le cas décroissant est identique). Par le c), sens direct, est un intervalle, et est une bijection de sur . Sa réciproque est strictement croissante : si dans et si l'on avait , la croissance de donnerait , contradiction. Enfin est un intervalle. La fonction est donc monotone sur l'intervalle , et son image est un intervalle : par le c), sens réciproque, est continue sur . C'est le théorème de la bijection, que le programme admet et qui vient d'être démontré.
Ce que l'exercice installe. La monotonie est une hypothèse très forte : elle garantit l'existence des limites latérales partout, et réduit toute discontinuité à un saut. Le critère « continue si et seulement si l'image est un intervalle » est la forme la plus maniable du théorème de la bijection, et l'argument du c) — un saut fait un trou — est celui qu'on réutilisera pour les fonctions de répartition en probabilités.
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