Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysisUnreviewedEdited since review

Périodicité d’une somme de fonctions périodiques

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Soient f,g:RRf, g: \mathbb{R} \longrightarrow \mathbb{R} deux fonctions périodiques. La fonction f+gf+g est-elle périodique?

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Solution by Uettechat

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Soit α\alpha un nombre irrationnel.
On considère f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} définie par:
xR,f(x)=cos(x)cos(αx)\forall x \in \mathbb{R}, f(x) = \cos(x) - \cos(\alpha x)xcos(αx)x \mapsto \cos(\alpha x) est périodique de période 2πα\frac{2\pi}{\alpha} et xcos(x)x \mapsto \cos(x) périodique de période 2π2\pi.
Puisque pour tout xRx \in \mathbb{R}, 1cos(x)1-1 \le \cos(x) \le 1 et 1cos(αx)1-1 \le \cos(\alpha x) \le 1, la valeur maximale possible pour la différence cos(x)cos(αx)\cos(x) - \cos(\alpha x) est 1(1)=21 - (-1) = 2.
Montrons que 22 est atteint par ff par un unique antécedent:
f(x)=2    {cos(x)=1etcos(αx)=1    {x0(mod2π)etαxπ(mod2π)    {kZ,  x=2kπetmZ,  αx=(2m+1)πf(x) = 2 \iff \begin{cases} \cos(x) = 1 \\ \text{et} \\ \cos(\alpha x) = -1 \end{cases} \iff \begin{cases} x \equiv 0 \pmod{2\pi} \\ \text{et} \\ \alpha x \equiv \pi \pmod{2\pi}\end{cases} \iff \begin{cases} \exists k \in \mathbb{Z}, \; x = 2k\pi \\ \text{et} \\ \exists m \in \mathbb{Z}, \; \alpha x = (2m+1)\pi\end{cases}Si x0x\neq0, il vient en faisant le rapport entre les deux expressions:
m,kZ,α=2m+12kQ\exists m,k \in \mathbb{Z}, \alpha = \frac{2m+1}{2k} \in \mathbb{Q}, ce qui est contradictoire.

Donc x=0x=0 est l’unique antécédent de 22 par ff.

Ainsi, TR,f(0)=2f(0+T)\forall T \in \mathbb{R^{*}}, f(0)=2\neq f(0+T), donc ff n’est pas périodique.

Il vient que la somme de deux fonctions périodiques n’est pas nécessairement périodique.

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