Adloun

Soit f : ℝ → ℝ périodique et admettant une limite finie en +∞. Montrer…

Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques MPSI, chapitre 6 — Limites, continuité, dérivabilité, convexité · A. Limites de fonctions

Énoncé

Soit périodique et admettant une limite finie en . Montrer que est constante.

Corrigé

Stratégie : la caractérisation séquentielle de la limite en , appliquée à une suite arithmétique de raison la période. Le principe : la périodicité recopie la valeur arbitrairement loin, où la limite l'attend.

La démonstration. Soit une période de , et la limite de en . Fixons un réel quelconque et considérons la suite Elle tend vers (car ), donc, par caractérisation séquentielle de la limite en , Mais la -périodicité donne, par récurrence immédiate, pour tout : la suite est constante, égale à . Une suite constante converge vers sa valeur, et la limite est unique : Ceci vaut pour tout réel, donc

⚠️ Le point délicat : aucune hypothèse de continuité n'est utilisée — et il ne faut pas en ajouter. La démonstration n'emploie que la périodicité et l'existence de la limite. Le résultat vaut donc pour n'importe quelle fonction périodique, fût-elle discontinue partout (comme l'indicatrice de , qui est -périodique — et qui, cohéremment, n'a pas de limite en ). Ajouter « continue » dans la rédaction, c'est utiliser une hypothèse dont on ne dispose pas et masquer la vraie raison.

Second point : c'est qui garantit . Une « période » nulle ou négative ruinerait l'argument — d'où la convention .

Contraposée, plus parlante. Une fonction périodique non constante n'a pas de limite en . C'est ainsi qu'on l'utilise en pratique : , , , la partie fractionnaire n'ont aucune limite à l'infini, et il est inutile d'en chercher une.

Contrôle. est -périodique et non constante : elle ne doit donc pas avoir de limite en — et en effet tandis que ✓, exactement le mécanisme du n° 1. À l'inverse est périodique (de toute période) et de limite : le théorème est bien vérifié, et il est optimal ✓.

Ce que l'exercice installe. Le procédé « transporter une information locale à l'infini par périodicité » : dès qu'une fonction se répète, tout ce qui est vrai à l'infini est vrai partout. On le retrouve pour montrer qu'une fonction périodique continue est bornée et atteint ses bornes sur tout entier (il suffit de l'étudier sur une période), ou qu'une fonction périodique intégrable a une intégrale de même valeur sur toute période.

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