Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysis

Algèbre & Equations différentielles

by La chouette aveugle·
52
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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Français

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Soient n≥1n \geq 1 un entier et σ∈Sn\sigma \in \mathfrak{S}_n une permutation.
On considère une fonction dérivable y=(y1,…,yn):R→Rny = (y_1,\ldots,y_n) : \mathbb{R} \to \mathbb{R}^n vérifiant
∀i∈{1,…,n},yi′=yσ(i).\forall i \in \{1,\ldots,n\}, \qquad y_i' = y_{\sigma(i)}.Déterminer la limite
lim⁡t→+∞∥y(t)∥,\lim_{t \to +\infty} \|y(t)\|,où ∥⋅∥\|\cdot\| désigne la norme euclidienne sur Rn\mathbb{R}^n.

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Montrons que la limite existe toujours dans [0,+∞][0,+\infty], mais sa valeur dépend de la condition initiale y(0)y(0). On la calcule exactement en diagonalisant le système.

Le système s’écrit y′=Pyy'=Py, où PP est la matrice de permutation définie par (Py)i=yσ(i)(Py)_i=y_{\sigma(i)}. Donc y(t)=etPy(0)y(t)=e^{tP}y(0).

La matrice PP est orthogonale, donc normale. Elle est diagonalisable dans une base orthonormée de Cn\mathbb{C}^n, et ses valeurs propres sont des racines de l’unité. Notons πω\pi_\omega les projecteurs orthogonaux sur ses espaces propres. On a alors
y(t)=∑ωeωtπωy(0),y(t)=\sum_\omega e^{\omega t}\pi_\omega y(0),et, par orthogonalité des espaces propres,
∥y(t)∥2=∑ωe2tRe⁡ω∥πωy(0)∥2.\|y(t)\|^2=\sum_\omega e^{2t\operatorname{Re}\omega}\|\pi_\omega y(0)\|^2.

Décomposons σ\sigma en cycles. Soit un cycle (a0,…,aℓ−1)(a_0,\dots,a_{\ell-1}), avec aj+1=σ(aj)a_{j+1}=\sigma(a_j). Le vecteur vv défini par vaj=ωjv_{a_j}=\omega^j sur ce cycle, et nul ailleurs, est propre pour ω=e2iπk/ℓ\omega=e^{2i\pi k/\ell}. On obtient
∥y(t)∥2=∑cycles ∑k=0ℓ−1e2tcos⁡(2πk/ℓ)⋅1ℓ∣∑j=0ℓ−1e−2iπjk/ℓyaj(0)∣2.\|y(t)\|^2=\sum_{\text{cycles}}\ \sum_{k=0}^{\ell-1}e^{2t\cos(2\pi k/\ell)}\cdot\frac1\ell\Big|\sum_{j=0}^{\ell-1}e^{-2i\pi jk/\ell}y_{a_j}(0)\Big|^2.

Notons cℓ,kc_{\ell,k} les coefficients 1ℓ∣∑je−2iπjk/ℓyaj(0)∣2\frac1\ell\big|\sum_j e^{-2i\pi jk/\ell}y_{a_j}(0)\big|^2. La fonction ∥y∥2\|y\|^2 est une somme d’exponentielles à coefficients cℓ,k≥0c_{\ell,k}\ge0, donc elle admet une limite. Trois cas se présentent :

  • La limite vaut +∞+\infty si l’un des cℓ,kc_{\ell,k} est non nul pour un indice tel que cos⁡(2πk/ℓ)>0\cos(2\pi k/\ell)>0.
    • Sinon, la limite est finie et vaut
    lim⁡t→+∞∥y(t)∥=(∑cos⁡(2πk/ℓ)=0cℓ,k)1/2.\lim_{t\to+\infty}\|y(t)\|=\Big(\sum_{\cos(2\pi k/\ell)=0}c_{\ell,k}\Big)^{1/2}.
  • La limite vaut 00 si, en plus, tous ces coefficients sont nuls.
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