Équation fonctionnelle et point fixe
Bonjour je bloque actuellement sur un exercice. Voici une partie de l'énoncé:
Soit l'espace vectoriel des fonctions continues sur $[0,1]$ à valeurs réelles. Pour $f \in \mathcal{C}([0,1])$, on pose:
\[ \|f\|_{\infty} = \underset{t \in [0,1]}{\sup} |f(t)| \]
On sait que $(\mathcal{C}([0,1]), \|.\|_{\infty})$ est un espace de Banach. On considère la fonction $\varphi(f)$ par:
\[ \forall x \in [0,1],\text{ } \text{ } \varphi(f)(x) = \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)f(t)dt \]
J'ai montré premièrement que $\varphi(f)$ est bien définie et que c'est un élément de $\mathcal{C}([0,1])$. Je bloque lors de la deuxième question. On me demande de considérer l'équation fonctionnelle suivante:
\[ f(x) = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \sin(x^2 + t^2)f(t)dt \]
L'énoncé me demande de reprendre la fonction $\varphi$ énoncé précédemment afin de démontrer que l'équation fonctionnelle en question admet une unique solution $f$ continue sur $[0,1]$. Vu le contexte je voulais montrer que $\varphi$ est contractante, mais ce n'est pas le cas. Voici ce que je trouve:
Soient $f$ et $g$ dans $\mathcal{C}([0,1])$, alors on a
\begin{eqnarray*}
| \varphi(f)(x) - \varphi(g)(x)| & = & \left| \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)f(t)dt - \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)g(t)dt \right| \\ \\
& = & \left| \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)(f(t)-g(t))dt \right| \\ \\
& \leqslant & \int_{0}^{1} |\sin(x^2 + t^2)||f(t) - g(t)|dt \\ \\
& \leqslant & \int_{0}^{1} |f(t) - g(t)|dt \text{, }\text{ }\text{ }\text{ }\text{ }\text{ } \text{car on sait que pout tout $x \in [0,1], |\sin(x)| \leqslant 1$}\\ \\
& \leqslant & \|f-g\|_{\infty}
\end{eqnarray*}
Peut-être que je fais fausse route dans les inégalité précédentes, quelqu'un pourrais m'aider?
Cordialement
Soit l'espace vectoriel des fonctions continues sur $[0,1]$ à valeurs réelles. Pour $f \in \mathcal{C}([0,1])$, on pose:
\[ \|f\|_{\infty} = \underset{t \in [0,1]}{\sup} |f(t)| \]
On sait que $(\mathcal{C}([0,1]), \|.\|_{\infty})$ est un espace de Banach. On considère la fonction $\varphi(f)$ par:
\[ \forall x \in [0,1],\text{ } \text{ } \varphi(f)(x) = \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)f(t)dt \]
J'ai montré premièrement que $\varphi(f)$ est bien définie et que c'est un élément de $\mathcal{C}([0,1])$. Je bloque lors de la deuxième question. On me demande de considérer l'équation fonctionnelle suivante:
\[ f(x) = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} \sin(x^2 + t^2)f(t)dt \]
L'énoncé me demande de reprendre la fonction $\varphi$ énoncé précédemment afin de démontrer que l'équation fonctionnelle en question admet une unique solution $f$ continue sur $[0,1]$. Vu le contexte je voulais montrer que $\varphi$ est contractante, mais ce n'est pas le cas. Voici ce que je trouve:
Soient $f$ et $g$ dans $\mathcal{C}([0,1])$, alors on a
\begin{eqnarray*}
| \varphi(f)(x) - \varphi(g)(x)| & = & \left| \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)f(t)dt - \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)g(t)dt \right| \\ \\
& = & \left| \int_{0}^{1} \sin(x^2+t^2)(f(t)-g(t))dt \right| \\ \\
& \leqslant & \int_{0}^{1} |\sin(x^2 + t^2)||f(t) - g(t)|dt \\ \\
& \leqslant & \int_{0}^{1} |f(t) - g(t)|dt \text{, }\text{ }\text{ }\text{ }\text{ }\text{ } \text{car on sait que pout tout $x \in [0,1], |\sin(x)| \leqslant 1$}\\ \\
& \leqslant & \|f-g\|_{\infty}
\end{eqnarray*}
Peut-être que je fais fausse route dans les inégalité précédentes, quelqu'un pourrais m'aider?
Cordialement
Réponses
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La fonction $f\equiv 0$ est solution, et comme $\phi$ est $1$-Lipschitzienne, $\lambda = 2$ ne peut pas être valeur propre de $\phi$.
-
supp
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Bonjour, merci de vos réponses marsup et side. Je vais travailler là-dessus. Je pensais qu'il fallait en déduire que $\varphi$ est contractante, puisque l'intitulé de l'exercice suggère d'utiliser le théorème du point fixe, mais vu sous cet angle je crois que je vais pourvoir conclure.
Cordialement. -
Si tu veux, $\frac{1}{2} \cdot \phi$ est contractante, donc vérifie le théorème du point fixe.
Simplement, ton théorème du point fixe est surtout un énoncé existentiel, or ici, la solution est évidente : c'est $f \equiv 0$, donc qu'on soit dans un espace de Banach ou pas ne changerait rien à l'affaire. -
D'accord donc, si j'avais eu par exemple une fonction $\phi$ telle que :
\[
\forall x \in [0,1],\quad \phi(f)(x) = \lambda \int_{0}^{1} \sin(x^2 + t^2) f(t)dt.
\] Où $|\lambda| < \max\limits_{(x,t)\in [0,1]^2} |\sin(x,t)| = 1 $.
Dans ce cas le théorème du point fixe s'applique et j'en déduis la réponse, d'où le fait que $f$ doit être forcément nul. Je comprends pourquoi le théorème du point fixe semble inutile tel que l'énoncé a été posé.
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