La fonction plateau : est
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques MPSI, chapitre 6 — Limites, continuité, dérivabilité, convexité · C. Dérivabilité : calculs et raccordements
Énoncé
Soit définie sur par si et si .
a) Montrer que est de classe sur .
b) Montrer par récurrence que pour tout , il existe un polynôme tel que pour tout .
c) En déduire que est de classe sur , avec pour tout .
d) Montrer que est de classe sur , nulle hors de , strictement positive sur .
Corrigé
La stratégie. Tout est facile sauf en , et en on applique le théorème de la limite de la dérivée — à chaque ordre. Pour cela il faut connaître la forme des dérivées successives à droite de , et c'est la récurrence du b) qui la donne ; les croissances comparées font le reste.
a) Classe . Continuité en . À gauche, est nulle. À droite, quand , , donc . Les deux limites latérales valent : est continue en , et elle est continue ailleurs comme fonction usuelle ou nulle.
Dérivée hors de . Sur , . Sur , par dérivation de la composée, .
Limite de la dérivée en . À gauche, . À droite, posons : par croissances comparées. Donc quand , .
Conclusion. est continue sur , dérivable sur , et admet la limite finie en : par le théorème de la limite de la dérivée, est dérivable en avec , et est continue en . est de classe sur .
Le point délicat. L'hypothèse de continuité en n'est pas décorative : le théorème l'exige, et sans elle il est faux — la fonction valant pour et pour a une dérivée nulle de part et d'autre, donc de limite , sans être dérivable en .
b) La forme des dérivées. Montrons par récurrence sur la propriété : « il existe un polynôme tel que pour tout ». Pour , convient. Supposons-la vraie au rang . Pour , dérivons le produit : En posant , qui est un polynôme, on obtient . La propriété est héréditaire. On a par exemple et , ce qu'on vérifie en dérivant : .
c) Classe . Montrons par récurrence sur que est de classe sur , avec sur (en particulier ). C'est le a) pour (et immédiat pour ). Supposons-le vrai au rang . Alors est continue sur , dérivable sur , de dérivée nulle sur et égale à sur . Quand , avec , est une somme finie de termes , chacun de limite nulle par croissances comparées : . À gauche, . Le théorème de la limite de la dérivée, appliqué à , montre que est dérivable en , avec , et que est continue en — donc sur , sa continuité ailleurs étant claire. Ainsi est de classe avec sur . Par récurrence, est de classe sur et pour tout .
Ce que cela signifie. Toutes les dérivées de en sont nulles, comme celles de la fonction nulle — et pourtant n'est nulle sur aucun intervalle . Les dérivées en un point ne déterminent pas la fonction au voisinage de ce point : le chapitre sur l'analyse asymptotique le redira sous la forme « le développement limité en de à tout ordre est nul, et n'est pas nulle ».
d) La fonction plateau. L'application est de classe comme composée de et de la fonction affine ; le produit de deux fonctions est (opérations sur les fonctions de classe ). Comme l'exponentielle ne s'annule pas, si et seulement si , et si et seulement si . Donc si et seulement si ou , c'est-à-dire ; et sur , les deux facteurs sont strictement positifs. est , nulle hors de , strictement positive dedans.
Ce que l'exercice installe. La méthode de raccordement en quatre temps — continuité au point, dérivée de part et d'autre, limite de la dérivée, conclusion par le théorème — et sa version à tout ordre, où l'ingrédient nouveau est une récurrence sur la forme des dérivées. Et un objet fondamental : la fonction plateau, brique de base de toutes les constructions « à support » de l'analyse, qui permet de fabriquer des fonctions valant sur un intervalle et hors d'un intervalle un peu plus grand.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.