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mathématiques (terminale) · Chapitre 2 · Application directe du cours

Problème — Le théorème du point fixe

Limites et Continuité des fonctions · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Problème — Le théorème du point fixe. Soit une fonction continue d'un intervalle dans lui-même (c'est-à-dire que pour tout , ).

  • Soit la fonction définie sur par . Montrer que et .
  • En déduire qu'il existe au moins un réel tel que . (Un tel point est appelé un point fixe de ).
  • Application : Démontrer que la fonction admet au moins un point fixe sur l'intervalle .

Corrigé

  • Par hypothèse, pour tout , , donc .
  • Pour : . Comme , on a bien .
  • Pour : . Comme , on a bien .
  • La fonction est continue sur , et la fonction l'est également. Par différence, la fonction est continue sur . On a et . Le nombre 0 est donc compris entre et . D'après le Théorème des Valeurs Intermédiaires (TVI), il existe au moins un réel tel que . Or, . Il existe donc bien un point fixe pour la fonction .
  • Soit la fonction sur . Puisque pour tout , (car ), envoie bien dans lui-même. Le théorème des questions 1 et 2 a été établi sur : refaisons donc le raisonnement sur , qui est le seul point à adapter. Posons, pour tout , .
  • La fonction cosinus est continue sur et la fonction l'est également : par différence, est continue sur .
  • .
  • .

Le nombre 0 est donc compris entre et . D'après le TVI, il existe au moins un réel tel que , c'est-à-dire . La fonction cosinus admet donc au moins un point fixe sur .

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