Ivan Shishkin, Rye (1878)

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f+ff+f' tend vers 0

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Solution

Solution by La chouette aveugle · FR

Une solution "à la Grönwall" : On montre le résultat en supposant que ff est dérivable.

Selon l’hypothèse, pour tout ε>0\varepsilon >0, il existe δ>0\delta >0 tel que pour tout xδx \geq \delta on a l’inégalité :

εf(x)+f(x)ε-\varepsilon \leq f(x) + f'(x) \leq \varepsilon,

ce qui entraine que pour tout xδx \geq \delta, εf(x)f(x)εf(x)-\varepsilon -f(x) \leq f'(x) \leq \varepsilon - f(x). En conséquence, les fonctions ff et f-f satisfont l’inégalité y(x)y(x)+εy'(x) \leq -y(x) + \varepsilon, pour tout xδx \geq \delta. Nous résolvons ensuite cette "inéquation différentielle".

Posons z(x)=y(x)εz(x) = y(x)-\varepsilon. L’inégalité ci-dessus se récrit alors comme z(x)z(x)z'(x) \leq -z(x) pour tout xδx \geq \delta, et comme la fonction g:xz(x)exg : x \mapsto z(x)e^{x} est dérivable, et que sa dérivée est xz(x)ex+z(x)exx \mapsto z'(x)e^{x}+z(x)e^{x}, qui par l’inégalité précédente est négative, on déduit que gg est décroissante sur [δ,+[[\delta, +\infty[. Par conséquent, pour tout xδx \geq \delta, g(δ)g(x)g(\delta) \geq g(x), c’est-à-dire que z(x)exz(δ)eδz(x) \leq e^{-x}z(\delta)e^{\delta}, on encore que y(x)ε+exz(δ)eδy(x) \leq \varepsilon+ e^{-x}z(\delta)e^{\delta}. Comme ceci est vrai pour y=fy=f ou y=fy=-f, alors

ε+ex+δ(f(δ)+ε)f(x)ε+ex+δ(f(δ)ε)-\varepsilon +e^{-x+\delta}(f(\delta)+\varepsilon) \leq f(x) \leq \varepsilon + e^{-x+\delta}(f(\delta)-\varepsilon).

Ainsi, pour δ>0\delta' >0 tel que pour tout xδx \geq \delta', ex+δ(f(δ)+ε)<ε\lvert e^{-x+\delta}(f(\delta)+\varepsilon) \rvert< \varepsilon, et pour δ>0\delta'' > 0 tel que pour tout xδx \geq \delta'', ex+δ(f(δ)ε)<ε\lvert e^{-x+\delta}(f(\delta)-\varepsilon)\rvert < \varepsilon, on obtient pour tout xmax(δ,δ,δ)x \geq \mathrm{max}(\delta,\delta',\delta''),

2εf(x)2ε-2\varepsilon \leq f(x) \leq 2\varepsilon.

Ceci montre que f(x)f(x) tend vers 00 quand xx tend vers l’infini, et puisque f(x)+f(x)f'(x) +f(x) tend aussi vers 00 quand xx tend vers l’infini, on déduit qu’il en va de même pour ff'.

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