Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une équation fonctionnelle

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Solution

Solution by Uettechat · FR

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)=n1f(x0n)f(0)2nn1f(x0n)f(0)2nn1M02n=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 n1,f(x0n)f(0)=M0\forall n \geq 1, \left| f(x_{0}^{n})-f(0) \right|=M_{0}
Or 0x0a<10\leq x_{0} \leq a < 1, donc x0n0x_{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],0f(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 0a<10\leq a<1.
On considère donc la suite 0an=11n<10\leq a_{n}=1-\frac{1}{n}<1, donc nN,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=cRf=c \in \mathbb{R}:
x[0,1],f(x)=c=12c11/2=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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