Pour s'amuser ! - Exercice 1

1 h
90
Un exercice dont l'esprit illustre la démarche de l'analyse.
Question 1
Soit ff une fonction numérique dérivable sur R+\mathbb{R}^+, et qui vérifie f(0)=0f(0)=0.
On suppose que la fonction dérivée f′f' est continue sur R+\mathbb{R}^+.
En outre, cette fonction dérivée f′f' satisfait à l'encadrement suivant :
∀x∈R+,  0⩽f′(x)⩽1\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, 0 \leqslant f'(x) \leqslant 1.

Démontrer que :
∀x∈R+,  (∫0xf(x) dx)2⩾∫0x(f(x))3 dx\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, \left( \int_0^x f(x) \, dx \right)^2 \geqslant \int_0^x \big( f(x) \big)^3 \, dx.

Correction
Soit FF la fonction suivante :
F:x∈R+⟶(∫0xf(x) dx)2−∫0x(f(x))3 dxF : x \in \mathbb{R}^+ \longrightarrow \left( \int_0^x f(x) \, dx \right)^2 - \int_0^x \big( f(x) \big)^3 \, dx
Pour démontrer l'inégalité demandée, il suffit de montrer que la fonction FF est positive sur R+\mathbb{R}^+.
Mais F(x=0)=0F(x=0) = 0, donc il nous suffit de montrer que la fonction FF est croissante sur R+\mathbb{R}^+.
Ceci signifie qu'il nous faut montrer que la fonction dérivée F′F' est positive sur R+\mathbb{R}^+.
Par hypothèse, on sait que ff est continue sur R+\mathbb{R}^+, il en va donc de même pour f3f^3.
Ainsi les deux fonctions x∈R+⟶∫0xf(x) dxx \in \mathbb{R}^+ \longrightarrow \int_0^x f(x) \, dx et x∈R+⟶∫0x(f(x))3 dxx \in \mathbb{R}^+ \longrightarrow \int_0^x \big( f(x) \big)^3 \, dx sont dérivables sur R+\mathbb{R}^+, et cela implique que FF est dérivable également sur R+\mathbb{R}^+. Et on a :
∀x∈R+,  F′(x)=2f(x)(∫0xf(x) dx)−(f(x))3\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, F'(x) = 2 f(x)\left( \int_0^x f(x) \, dx \right) - \big( f(x) \big)^3 .
Le sujet apporte l'hypothèse suivante :
∀x∈R+,  0⩽f′(x)⩽1\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, 0 \leqslant f'(x) \leqslant 1.
Donc ff est croissante sur R+\mathbb{R}^+. De plus, le sujet nous apprend que f(x=0)=0f(x=0) = 0 donc :
∀x∈R+,  f(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, f(x) \geqslant 0.
A ce stade écrivons :
∀x∈R+,  F′(x)=f(x)(2(∫0xf(x) dx)−(f(x))2)\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, F'(x) = f(x) \left( 2\left( \int_0^x f(x) \, dx \right) - \big( f(x) \big)^2 \right) .
Ainsi, la situation nous conduit à étudier le signe de s:x∈R+⟶s(x)=2(∫0xf(x) dx)−(f(x))2s : x \in \mathbb{R}^+ \longrightarrow s(x) = 2\left( \int_0^x f(x) \, dx \right) - \big( f(x) \big)^2.
Cette fonction ss est bien évidemment dérivable sur R+\mathbb{R}^+. Et on a immédiatement :
∀x∈R+,  s′(x)=2f(x)−2f(x)f′(x)\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, s'(x) = 2 f(x) - 2 f(x) f'(x) .
En factorisant par ff on a donc :
∀x∈R+,  s′(x)=2f(x)(1−f′(x))\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, s'(x) = 2 f(x) \left( 1 - f'(x) \right)
Cependant, on sait par hypothèse que :
∀x∈R+,  0⩽f′(x)⩽1\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, 0 \leqslant f'(x) \leqslant 1
Soit encore :
∀x∈R+,  1−f′(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, 1 - f'(x) \geqslant 0
On peut donc en déduire, puisque ∀x∈R+,  f(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, f(x) \geqslant 0, que :
∀x∈R+,  s′(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, s'(x) \geqslant 0
Et de fait ss est croissante sur R+\mathbb{R}^+. Puis, on constate que s(x=0)=0s(x=0) = 0 car f(x=0)=0f(x=0) = 0. Donc, on peut affirmer que :
∀x∈R+,  s(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, s(x) \geqslant 0
Mais comme F′=fsF' = fs on on peut donc également affirmer que :
∀x∈R+,  F′(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, F'(x) \geqslant 0
En conséquence directe, FF est croissante sur R+\mathbb{R}^+. Et comme F(x=0)=0F(x=0) = 0 on en déduit que FF est positive sur R+\mathbb{R}^+ :
∀x∈R+,  F(x)⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, F(x) \geqslant 0
Ceci s'écrit également comme :
∀x∈R+,  (∫0xf(x) dx)2−∫0x(f(x))3 dx⩾0\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, \left( \int_0^x f(x) \, dx \right)^2 - \int_0^x \big( f(x) \big)^3 \, dx \geqslant 0
Et finalement :
∀x∈R+,  (∫0xf(x) dx)2⩾∫0x(f(x))3 dx\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, \left( \int_0^x f(x) \, dx \right)^2 \geqslant \int_0^x \big( f(x) \big)^3 \, dx

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