dérivée dans D'

Bonjour,
soit $f$ une fonction définie sur $\R$ par $f(x)=|\cos(x)|$. Je cherche à calculer la dérivée de $f$ au sens des distributions.
Alors voilà, puisque $f \in L^1(\R)$, alors elle définie une distribution $T_f$ donnée par
$$
\forall \varphi \in \mathcal{D}(\R): <T_f,\varphi>= \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} |\cos(x)| \varphi(x) dx.
$$Puisque $f \in C^{1}(\R)$, alors $(T_f)'= T_{f'}$ où $f'$ est la dérivée usuelle de $f$.
Ma difficulté est de calculer $(|cos(x)|)'$ à cause de la présence de la valeur absolue. Comment enlever la valeur absolue?
Merci par avance pour votre aide.
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Réponses

  • Tu vois bien toi-même que $f$ n'est PAS dans $C^1(\R).$
  • $|x|$ est dérivable dans $L^1_{loc}$ puisque $|x| = \int_0^x \text{sign}(t) dt$. Donc...
  • Il faut juste trouver les endroits où $\cos$ change de signe et appliquer la formule des sauts (ou si tu préfères la redémontrer dans ce cadre).
    En tout cas, le premier point semble vital....
  • Oh oui pardon, $|\cos(x)|$ n'est pas de classe $C^1$ elle n'est pas dérivables aux points $x$ où $\cos(x)=0$ donc elle n'est pas dérivable aux points $a_k=\dfrac{\pi}{2}+k\pi, k \in \Z$. Par contre elle est continue sur tout $\R$ donc elle n'admet pas de sauts. Ainsi, $(T_f)'=T_{f'}$, mais comment calculer $f'$?
  • Par la remarque de Reuns... ou découpe les intégrales par Chasles entre $a_{k}$ et $a_{k+1}$ en revenant à la définition de la dérivée d'une distribution et procède à une IPP....
  • $|\cos(x)|$ est $\pi$-périodique. C'est quoi la dérivée de $|\cos(x)|$ sur $(-\pi/2,\pi/2)$ ?

    Une fois que tu as la solution regarde $(f \circ g)'$ et mon message plus haut.
  • Je sais que, sur $]-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}[$ on a $|cos(x)|= \cos(x)$ et donc $f'(x)= -\sin(x)$
    et sur $]\dfrac{\pi}{2}, -\dfrac{\pi}{2}[$ on a $|\cos(x)|= - \cos x$ et donc $f'(x)= \sin(x)$.
    Je bloque vraiment sur la généralisation à $\R$. J'ssaye d'écrire
    $<|cos(x),\varphi>= \displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty} |\cos(x)| \varphi(x) dx$
    et après comment prendre en compte tout les intervalles de la forme $]-k\dfrac{\pi}{2}, k \dfrac{\pi}{2}[$ et $]k\dfrac{\pi}{2}, - k \dfrac{\pi}{2}[$ où$k\in \Z$? S'il vous plaît.
  • Pour l'intégration par partie de $\int_{-\infty}^\infty |\cos(x)|\varphi'(x)dx$ ce que tu veux c'est une fonction $f \in L^1_{loc}$ telle que $|\cos(x)| = 1+\int_0^x f(t)dt$.
    $|\cos(x)|$ est périodique et continue donc une fois que t'as trouvé $f$ sur $(-\pi/2,\pi/2)$...
  • Mais d'où vient l'écriture $|\cos(x)|=1 +\displaystyle\int_0^x f(t) dt$? Comment on choisit ce $f$? Il n y a pas une écriture plus simple? S'il vous plaît.
  • Arrête avec ce genre de questions débiles.

    Personne ne peut t'aider si tu n'es pas capable de repérer clairement ce que tu ne comprends pas / ce que tu ne sais pas démontrer et de le mettre dans un contexte de choses que tu sais montrer.
  • Désolée, je pensais que j'étais claire. Alors la question est de calculer la dérivée au sens des distributions de la fonction $f(x)= |\cos(x)|$ qui est définie sur $\R$. Donc en premier en remarque que $f \in L^1(\R)$, donc elle définie une distribution $T_f$, et en second on remarque que $f$ est continue sur tout $\R$, il n'y a pas de sauts, donc $(T_f)'= T_{f'}$.
    Si on était sur l'intérvalle $]-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3 \pi}{2}[$, alors il est clair que la distribution définie par $f$ est
    $$
    \forall \varphi \in \mathcal{D}(]-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3 \pi}{2}[):
    <T_f,\varphi>= \displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2} \cos(x) \varphi(x) dx - \displaystyle\int_{\pi/2}^{3 \pi/2} \cos(x) \varphi(x) dx
    $$
    Ma question est: comment utiliser le fait que $f$ soit de période $\pi$ pour définir $T_f$ sout tout $\R$? S'il vous plaît.
  • Non, ton message n'a aucun sens. Personne ne peut t'aider si tu n'es pas capable de repérer clairement ce que tu ne comprends pas / ce que tu ne sais pas démontrer et de le mettre dans un contexte de choses que tu sais montrer.

    Résultat je ne peux que faire des suppositions, et essayer de te donner des pistes :
    Puisque $f (x) =|\cos(x)|\in L^1_{loc}$ alors tu peux écrire $\langle f ,\varphi \rangle = \int_{-\infty}^\infty f(x) \varphi(x)dx$ qui est trivialement bien défini pour $\varphi \in C^\infty_c$, pas besoin de t'embêter avec $T_f$.

    Puisque $f$ est dérivable dans $L^1_{loc}$, ie. $f$ est la primitive d'une fonction $g \in L^1_{loc}$ alors $\langle f, \varphi' \rangle= \int_{-\infty}^\infty f(x) \varphi'(x)dx= -\int_{-\infty}^\infty g(x) \varphi(x)dx=-\langle g, \varphi \rangle$

    Pourquoi $f$ est dérivable dans $L^1_{loc}$ ? Parce qu'elle est continue, $\pi$-périodique et $C^1$ sur $(-\pi/2,\pi/2)$. Evidemment sa dérivée elle aussi est $\pi$-périodique.
  • Pour tout $x \in ]\pi/2,3 \pi/2[$ on a $f'(x)= \sin(x)$ sur $]\dfrac{-\pi}{2},\pi/2[$ et $f'(x)= -\sin(x)= ]\pi/2,3\pi /2[$.
    Ma question est: comment en déduire $f'$ pour tout $x \in \R$? Et comment écrire le crochet de distribution. Vous m'avez indiquez d'enlever les points où $\cos$ s'annule, mais je ne vois pas comment.
  • Pour toute fonction test $\varphi$, on a : $$\langle T_f,\varphi\rangle=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\varphi(x)dx=\sum_{k=-\infty}^{+\infty}\int_{a_k}^{a_{k+1}}\left\vert\cos(x)\right\vert\varphi(x)dx=\dots$$
  • Bonsoir Philippe Malot ,
    merci pour la réponse. J'ai deux questions s'il vous plaît.
    1. $k \in \Z$, alors comment on fait la somme de $-\infty$ à $+\infty$ ?
    2. Si $k=0$ alors $|\cos(x)|= -\cos(x)$, pour $k=1$ on a $|\cos(x)|=\cos(x)$ et ainsi de suite. Comment distinguer tous ces cas ? J'ai pensé à introduire la fonction $sgn$ mais je n'ai pas trouvé comment. :-S
  • Il n'y a en fait pas besoin de savoir comment on définit cette somme pour $k$ variant dans $\Z$ puisque $\varphi$ est à support compact, et on pourrait tout à fait écrire une somme finie. Par exemple, si on choisit un nombre entier naturel $n$ tel que le support de $\varphi$ soit inclus dans $[-n,n]$, la somme peut s'écrire pour $k$ allant de $-n$ à $n$ (et même $n-1$). Le mieux est de laisser une somme infinie.
    Pour distinguer les cas où la fonction cosinus prend des valeurs positives ou négatives, il faut peut-être encore découper cette somme en deux sommes ?
  • Non, comment découper $\displaystyle\int_{a_k}^{a_{k+1}}$ en deux? En sachant que $a_k= \pi/2 +k \pi$. Si $k=0$ alors c'est le signe -, puis quand on passe à $k=1$ c'est le signe + et ainsi de suite. J'y avais pensé mais je trouve que c'est déjà bien découpé.
  • Peut-être en écrivant deux sommes ? L'une qui correspond aux cas où $\cos$ est positive et l'autre à ceux où elle est négative.
    Je t'aide un peu : $a_{2k},a_{2k+1},a_{2k+2},\dots$
  • Ok, je crois avoir compris. Après avoir écris les premiers termes de la sommes, on peut dire que
    $$
    <f,\varphi> = \sum_{k=-\infty}^{+\infty} (\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} - \cos(x) \varphi(x) dx +\displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \cos(x) \varphi(x) dx)
    $$
    Donc
    $$
    <f',\varphi>= \sum_{k=-\infty}^{+\infty} (\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} - \cos(x) \varphi'(x) dx +\displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \cos(x) \varphi'(x) dx)
    $$
    et on fait une ipp sur chaque intégrale.C'est ok? Si oui alors s'il vous plaît, je ne comprend toujours pas pourquoi il faut mieux laisser la somme de $-\infty$ à $+\infty$ puisque $k \in \Z$.
  • La notation $$\sum_{k=-\infty}^{+\infty}$$ désigne la même chose que $$\sum_{k \in \mathbb Z}.$$ Comment voudrais-tu sommer sur tous les réels ?
  • Oui on ne peut pas sommer sur tous les réels! Mais si on écrit $\sum_{k \in \Z}$ alors on comprend que $k$ est en fait dans $\Z$, c'est ce que je voulais dire.
  • J'ai une autre question s'il vous plaît. On considère la fonction $g$ définie de $\R$ dans $\R$, $2 \pi$ périodique telle que $g(x)=x$ pour tout $x \in [0,2 \pi[$. Je cherche à calculer $g'$ au sens des distributions. Alors on commence par remarquer que $g$ est de classe $C^1$ par morceaux, mais elle a des sauts aux points $2 k \pi$ et $2(k+1)\pi[$

    Maintenant, $g$ est périodique sur $\R$ de periode $2 \pi$. Puisqu'elle est $L^1_{loc}$ elle définie la distribution
    $$
    <g,\varphi>= \sum_{k \in \Z} \displaystyle\int_{2 k \pi}^{2(k+1)\pi} g(x) \varphi(x) dx.
    $$
    Donc
    $$
    <g',\varphi>=-<g,\varphi'>= - \displaystyle\int_{2 k \pi}^{2(k+1)\pi} g(x) \varphi'(x) dx= - \displaystyle\int_{2 k \pi}^{2(k+1)\pi} x \varphi(x) dx
    $$
    on calcule $ \displaystyle\int_{2 k \pi}^{2(k+1)\pi} x \varphi(x) dx$ par ipp, et on a
    $$
    \displaystyle\int_{2 k \pi}^{2(k+1)\pi} x \varphi(x) dx= [x \varphi(x)]_{2k\pi}^{2(k+1)\pi} -\displaystyle\int_{2k \pi}^{2(k+1)\pi} \varphi(x) dx.
    $$
    Mais puisque $g$ est periodique alors $g(2 k \pi)= g(2(k+1)\pi)=0$ mais ça me fait bizarre d'écrire que ça implique que $[x \varphi(x)]_{2k\pi}^{2(k+1)\pi} \neq 0$ vu que $g$ est nulle en ces deux points. Je suis perturbée par ce point.
  • Il te manque des signes $\sum$ et des dérivées un peu partout.

    Le fait que $g$ est nulle en les extrémités de ces segments ne change pas la valeur de l'intégrale puisque pour la 1000ème fois, les singletons sont négligeables pour la mesure de Lebesgue. On aurait pu déclarer $g(x)=37 \pi$ en ces points, ça ne changerait rien au calcul.
  • Qu’en est-il du premier exercice ?
  • Pour la question 1 on obtient
    $$
    <f',\varphi>= \sum_{k \in \Z}(\displaystyle\int_{a_k}^{a_{2k+1}} \sin(x) \varphi(x) dx - \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \sin(x) \varphi(x) dx)
    $$
    et pour la question 2 on obtient
    $$
    <g',\varphi>=\sum_{k \in \Z}(2(k+1)\pi) \varphi(2(k+1)\pi)-2k \pi \varphi(2 k \pi) - \sum_{k\in \Z} \displaystyle\int_{2k \pi}^{2(k+1)\pi} \varphi(x) dx.
    $$
    C'est ok? S'il vous plaît.
  • Il te manque encore des sommes. Et tu devrais conclure en donnant l'expression de $g'$.
  • J'ai ajouté la somme qui manque dans $g'$, par contre avec la présence de la somme je ne sais pas trop comment écrire $g'$. c'est $T_{g'}$ plus des [large]D[/large]irac fois les sauts, mais la somme me fait peur.

    [Paul Dirac (1902-1984) prend toujours une majuscule. AD]
  • Bon déjà tu peux réécrire le terme $$\sum_{k\in \Z} \displaystyle\int_{2k \pi}^{2(k+1)\pi} \varphi(x) dx$$ différemment.

    Pour le début, oublie $T_{g'}$, il y a bien plus simple pour les termes correspondant à la première somme. Tu as tout dit : Dirac.
  • Une question s'il vous plaît. On sait que $g(x)= x$ sur $[0,2 \pi[$. Comment déduire la valeur de $g$ sur $[2k \pi, 2(k+1)\pi[$? En cherchantj'ai trouvé que $g(x)= x-2 k \pi$ sur $[2k \pi, 2(k+1)\pi[$ mais je ne comprend pas pourquoi.
  • Fais un dessin, c'est absolument évident.
  • C'est bête mais là pour le coup, je ne sais pas quoi dessiner :-( C'est quoi le dessin qui montre cette évidence? S'il vous plaît.
  • une fonction $ \pi$ périodique veut dire que $g(x+ 2 \pi)= g(x)$ pour tout $x \in \R$, avec le fait que $g(x)=x$ pour tout $x \in [0,2\pi[$ comment combiner ces deux informations pour montrer que $(g)=x-2 k \pi$ sur $[2k\pi, 2(k+1)\pi[$? S'il vous plaît
  • Non je suis bête:-( c'est réglé :-)
  • Pour $x\in[2k\pi, 2k\pi+1[$, tu as $g(x) = g(x-2k\pi)$, mais $x-2k\pi \in [0,2\pi[$, donc $g(x-2k\pi) = x-2k\pi$ d'où le résultat...
  • J'ai une question s'il vous plait.
    J'ai trouvé que
    $$
    <f',\varphi>=\sum_{k \in \Z} (\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \sin(x) \varphi(x) dx - \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \sin(x) \varphi(x) dx)
    $$
    Puis j'ai voulu calculer $f''$ et j'ai trouvé ceci
    $$
    <f'',\varphi>= \sum_{k\in \Z} (-2 \sin(a_{2k+1}) \varphi(a_{2k+1})+ \sin(a_{2k}) \varphi(a_{2k})-\sin(a_{2k+1})\varphi(a_{2k+1})-\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \cos(x) \varphi(x) dx+ \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \cos(x) \varphi(x) dx
    $$
    Comment savoir si $f''$ que j'ai obtenu est correct? S'il vous plaît.
  • Bonjour,
    on a calculé $f'$ (la dérivée au sens des distributions de $f(x)=|\cos(x)|$) et on a obtenu
    $$
    <f',\varphi>=\sum_{k \in \Z} (\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \sin(x) \varphi(x) dx - \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \sin(x) \varphi(x) dx)
    $$
    Pour $f''$: on remarque que $f'$ a des sauts, donc on devrait obtenir des Dirac. Voici ce que j'obtiens:
    $$
    <f'',\varphi>= \sum_{k\in \Z} (-2 \sin(a_{2k+1}) \varphi(a_{2k+1})+ \sin(a_{2k}) \varphi(a_{2k})-\sin(a_{2k+1})\varphi(a_{2k+1})-\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \cos(x) \varphi(x) dx+ \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \cos(x) \varphi(x) dx
    $$
    Mais le théorème des sauts est donné pour un nombre fini de points, or qu'ici on fait la somme sur $\Z$! Il risque alors d'y avoir la non convergence. Non?
  • Réfléchis deux secondes, penses-tu que cette série peut diverger ? Tu peux rappeler ce qu'est $\varphi$ ?
  • Oui je sais que $\varphi$ est une fonction test, donc à partir d'un certain $k_0$, les termes de la série vont s'annuler, et au final c'est une somme finie. Mais le prof a dit que la formule des sauts est faite pour un nombre fini de points afin d'éviter la divergence de la série, et si le nombre de sauts est infini, alors il y a problème 8-).Bon, je suis certaine maintenant qu'il n y a aucun problème avec un nombre infini de saut car les termes sont nuls à partir d'un certain rang.
    Et pour le résultat obtenu, il est correct? S'il vous plaît.
  • Mais si les indices (i.e. les points où il y a des sauts) tendent vers un nbre reel par ex 0 comme c'est le cas par ex de $1/n$ et que $\varphi =1$ au voisinage de 0, la serie va diverger si les sauts sont par constants. Donc on fait comment dans ces cas? S'il vous plaît.
  • Le cas de mon dernier post existe bien. Non? Alors que dire de la convergence de la série dans ce cas? S'il vous plaît.
  • Soit $h(x) = |x|$. Quelles sont les distributions dérivées de $h$ ? $ h'(x) = \text{sign}(x), h''(x) = 2\delta(x),h^{(k+2)}(x) = 2\delta^{(k)}(x)$.

    Ensuite $f(x) = h(\cos(x))$. Puis $\cos$ est $C^\infty$ il n'y a aucun problème à écrire $ f'(x) = h'(\cos(x))\cos'(x)$, $f''(x) = h''(\cos(x))\cos'(x)^2+h'(\cos(x))\cos''(x)$, etc.

    Note que $\delta(\cos(x)) = \sum_n \delta(x-n\pi-\pi/2)$ et $\delta'(\cos(x)) = \sum_n (-1)^{n+1} \delta'(x-n\pi-\pi/2)$. Pourquoi ?

    Note aussi que $f$ est $\pi$-périodique donc au sens des distributions $f(x) = \frac{1}{\pi}\sum_n c_n e^{2 i n x}$ où $c_n = \int_{-\pi/2}^{\pi/2} f(x)e^{-2i n x}dx$.

    Important : Quand je dis $f(x) = \frac{1}{\pi}\sum_n c_n e^{2 i n x}$ au sens des distributions, qu'est-ce que ça veut dire exactement ?
  • Renus, je ne cherche pas à calculer d'autres dérivées. Ma question est la suivante. J'ai calculer $f''$ au sens des distribution. C'est une somme sur $k \in \Z$. J'obtiens plus exactement
    $$
    <f'',\varphi>= \sum_{k\in \Z} (-2 \sin(a_{2k+1}) \varphi(a_{2k+1})+ \sin(a_{2k}) \varphi(a_{2k})-\sin(a_{2k+1})\varphi(a_{2k+1})-\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \cos(x) \varphi(x) dx+ \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \cos(x) \varphi(x) dx
    $$
    Ma question est: il y a une somme infinie, et la somme peut diverger. On peut penser que puisque $\varphi$ est une fonction test, alors les termes vont s'annuler à partir d'un certain $k$, et c'est du coup une somme finie. Mais, si les indices (i.e. les points où il y a des sauts) tendent vers un nbre reel par ex 0 comme c'est le cas par ex de $1/n$ et que $\varphi =1$ au voisinage de 0, la serie va diverger si les sauts sont par constants. Donc on fait comment dans ces cas? S'il vous plaît.
  • Tu penses vraiment que les sauts de la dérivée de $x \mapsto |\cos x|$ ont un point d'accumulation ?
  • Pardon si c'est une question bête, mais pourquoi est-ce que les sauts de la dérivées de $x \to |\cos x|$ n'ont pas de points d'accumulation? Comment vous avez vu directement que ce cas n'est pas possible? S'il vous plaît
  • Bah regarde tes $a_k$, tu en as même donné une formule !
  • Oui $a_k= \dfrac{\pi}{2}+ k \pi$ où $k \in \Z$.
    $$
    <|\cos(x)|',\varphi>= \sum_{k \in \Z} (\displaystyle\int_{a_{2k}}^{a_{2k+1}} \sin(x) dx - \displaystyle\int_{a_{2k+1}}^{a_{2k+2}} \sin(x) dx)
    $$
    on a $\sin(a_{2k})=1$ et $\sin(a_{2k+1})= -1$ et $\sin(a_{2k+2})=1$ donc $\sin$ admet des sauts aux point $a_{2k}, a_{2k+1}$ et $a_{2k+2}$.
    par définition, un point d'accumulation d'un ensemble est un point tel que l'intersection entre l'ensemble avec n'importe lequel de ses voisinage n'est pas vide.
    1. Je ne sais pas voir directement si $a_k$ est un point d'accumulation.
    2. pourqoui le fait qu'il ne soit pas point d'accumulation implique que la série converge.
    Je vous serez grée de m'expliquée ces deux points s'il vous plaît.
  • Ta définition de point d'accumulation est fausse (mais tu va encore dire qu'il s'agit d'une faute de frappe).
  • Euh non ce n'est pas une erreur de frappe. J'ai revu la notion de point d'accumulation. On note $A_k=\{a_k, k \in \Z\}$. on dit que $a_i \in A_k$ est un point d'accumulation si tout voisinage de $a_i$ contient une infinité de points de $A_k$, et c'est équivalent à dire qu'il existe une suite injective de points de $A_k$ qui converge vers $a_i$.
    Dans mon exercice, $a_i= \dfrac{\pi}{2}+i\pi,$ où $i$ est fixé dans $\Z$. Ma question est comment on voit que les sauts de la dérivée de $|\cos|x|$ ne sont pas des points d'accumulations? Et aussi c'est quoi le lien avec la convergence de la série.
    Merci par avance pour votre aide.
  • Pour chaque $a_i$ tu ne vois pas un intervalle ouvert qui ne contient qu'un seul élément de ton ensemble?
  • Oui il existe un voisinage $]i \pi, \pi+i\pi[$ tel que ce voisinage ne contient qu'un seul point $a_i$, on a trouvé un voisinage de $a_i$ qui ne contient pas une infinité de sauts. Donc les points $a_i$ ne sont pas des points d'accumulation. Vous êtes d'accord?
    Si oui, c'est quoi le lien entre le fait que les $a_i$ ne soient pas des points d'accumulation et la convergence de la suite? S'il vous plaît.
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