Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisUnreviewed

A functional equation

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40
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Find all continuous functions f:R→Rf: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R} satisfying
∀x∈[0,1],f(x)=∑n=1+∞f(xn)2n.\forall x \in[0,1], \quad f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f\left(x^n\right)}{2^n} .

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  1. X-ESPCI PC 2018
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Soit a∈[0,1[a \in [0,1[
On pose M0=max⁡{∣f(x)−f(0)∣,x∈[0,a]}M_{0}=\max\{|f(x)-f(0)|, x \in [0,a]\}, qui existe car ff est continue sur [0,a][0,a], donc compact sur [0,a][0,a].
On note x0∈[0,a]x_{0} \in [0,a] tel que M0=∣f(x0)−f(0)∣M_{0}=|f(x_{0})-f(0)|
Alors, en appliquant la relation,
M0=∣f(x0)−f(0)∣=∣∑n≥1f(x0n)−f(0)2n∣≤∑n≥1∣f(x0n)−f(0)∣2n≤∑n≥1M02n=M0M_{0}=|f(x_{0})-f(0)|=\left| \sum_{n \geq 1} \frac{f(x_{0}^{n})-f(0)}{2^{n}} \right| \leq \sum_{n \geq 1} \frac{\left| f(x_{0}^{n})-f(0) \right|}{2^{n}} \leq \sum_{n \geq 1} \frac{M_{0}}{2^{n}} = M_{0}Ainsi, on a un cas d’égalité dans la deuxième inégalité, donc ∀n≥1,∣f(x0n)−f(0)∣=M0\forall n \geq 1, \left| f(x_{0}^{n})-f(0) \right|=M_{0}
Or 0≤x0≤a<10\leq x_{0} \leq a < 1, donc x0n→0x_{0}^{n} \to 0.
Par continuité de ff en 00, f(x0n)→f(0)f(x_{0}^{n}) \to f(0).
Donc par passage à la limite, M0=0M_{0}=0.
Donc ∀x∈[0,a],0≤∣f(x)−f(0)∣≤0\forall x \in [0,a], 0\leq|f(x)-f(0)|\leq 0, donc ∀x∈[0,a],f(x)=f(0)\forall x \in [0,a], f(x)=f(0).
On a montré ce résultat pour tout 0≤a<10\leq a<1.
On considère donc la suite 0≤an=1−1n<10\leq a_{n}=1-\frac{1}{n}<1, donc ∀n∈N∗,f(an)=f(0), et f(an)→f(1)\forall n \in \mathbb{N^{*}}, f(a_{n})=f(0), \text{ et } f(a_{n}) \to f(1) par continuité de ff en 1.
Donc f(1)=f(0)f(1)=f(0).
Il vient que ff est constante sur [0,1][0,1].
Réciproquement, si ff est constante sur [0,1][0,1], f=c∈Rf=c \in \mathbb{R}:
∀x∈[0,1],f(x)=c=12c1−1/2=∑n=1+∞c2n=∑n=1+∞f(xn)2n\forall x \in [0, 1], f(x) = c = \frac{1}{2} \frac{c}{1-1/2} = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{c}{2^n}=\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{f(x^{n})}{2^n}

Donc l’ensemble des solutions sont les fonctions constantes sur [0;1][0;1].

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