Caractérisation des fonctions différentiables constantes

Lee sin
Modifié (10 Mar) dans Analyse

Bonjour,
que pensez-vous de la démonstration ci-dessous de ce résultat ? ($E$ est supposé de dimension finie).
Soit $f$ une fonction différentiable sur $\Omega$ de différentielle nulle et $a,b \in \Omega$. Comme $\Omega$ est connexe par arcs, il existe une application continue $\gamma : [0,1] \rightarrow \Omega$ telle que $\gamma(0)=a$ et $\gamma(1)=b$. Notons $\gamma_1,\dots,\gamma_p$ les fonctions composantes de $\gamma$ (dans une base quelconque de $E$), qui restent continues.
D'après le théorème de Weierstrass, pour tout $i \in \{1,\dots,p\}, \gamma_i$ est limite uniforme d'une suite de fonctions polynomiales que l'on notera $(\gamma_{i,n})_{n\in \mathbb{N}}$.
Ainsi, en posant pour tout entier $n$, $\gamma_n=(\gamma_{1,n},\ldots,\gamma_{p,n})$ la suite de fonctions $(\gamma_n)_{n\in\N}$ converge uniformément (donc simplement) vers $\gamma$ et par suite, $f$ étant continue car différentiable, la suite de fonctions $(f \circ \gamma_n)_{n\in\N}$ converge simplement vers $f \circ \gamma$.
Pour tout $n \in \N$, $f \circ \gamma_n$ est dérivable et $\forall t \in [0,1], \quad (f \circ \gamma_n)^{'}(t) = \mathrm{d}f(\gamma_n(t)).\gamma_n^{'}(t)=0$, donc $f \circ \gamma_n$ est constante et $f\circ \gamma_n(0)=f\circ \gamma_n(1)$.
On fait tendre $n$ vers $+\infty$ et on obtient $f(a) = f(b)$.

Réponses

  • zygomathique
    Modifié (9 Mar)
    Salut
    il faudrait peut-être préciser que $ \gamma$ est aussi dérivable ...
    Ensuite je ne comprends pas pourquoi tu parles de composantes et de polynômes.
    Si $f$ est différentiable et $\gamma$ est dérivable alors par composée $ f \circ \gamma$ est différentiable et tu as la même formule que dans l'avant dernière ligne mais sans les indices ...
    Ce me semble-t-il ...

    Ce ne sont pas les signes, les symboles qui constituent la science ; le seul principe qui y domine, c’est l’esprit de sagacité auquel les objets soumis servent d’auxiliaire.                BHASCARA

  • $\gamma$ n'est pas forcément dérivable, c'est justement pour ça que je pense à l'approcher par une suite de fonctions dérivables.
  • MrJ
    MrJ
    Modifié (9 Mar)
    Ne peut-on pas se restreindre à utiliser des lignes brisées comme chemin ?
  • Plus traditionnellement on démontre l'implication non triviale à l'aide de l'inégalité des accroissements finis.
  • MrJ
    MrJ
    Modifié (9 Mar)
    Je suis d’accord avec @Poirot, notamment si l’ouvert est supposée convexe ou étoilée dés le départ, d’où l’utilité des lignes brisées (pour se ramener à ces cas d’une certaine manière).
  • JLapin
    Modifié (9 Mar)
    que pensez-vous de la démonstration ci-dessous de ce résultat ?

    Que tu n'as rien dit sur le fait que le chemin $\gamma_n$ prend ses valeurs dans $\Omega$.

  • Lee sin
    Modifié (10 Mar)
    JLapin
    Oui bien vu. Ce sera le cas pour $n$ assez grand bien sûr puisque $\Omega$ est un ouvert.
    [Inutile de reproduire le message précédent. AD]
  • Ça ne me semble pas si évident tout de même.
  • Tu as raison, merci d'avoir remarqué ce point. Je ne vois pas comment adapter ma preuve pour contourner ce problème.
    Avez vous d'autres démonstrations pour ce résultat ?
  • Comme l'a dit Poirot, avec l'inégalité des accroissements finis.
  • Peux-tu préciser ?
  • Lemme. Pour tout $a\in \R$, $f^{-1}(a)$ est ouvert.
    Démonstration. Soit $x\in f^{-1}(a)$. Il existe $r>0$ tel que $B(x,r)\subset \Omega$. Pour tout $y\in B(x,r)$, la fonction $t\mapsto f((1-t)x+ty)$ de $[0,1]$ dans $\Omega$ a une dérivée nulle, donc elle est constante. On en déduit $f(y)=f(x)$, c'est-à-dire $y\in f^{-1}(a)$.

    Montrons le résultat. On choisit $x_0\in\Omega$. Alors $f^{-1}(f(x_0))$ est ouvert d'après ce qui précède, et il est fermé dans $\Omega$ car $f$ est continue. De plus il est non vide. Par connexité il est égal à $\Omega$, ce qui prouve que $f$ est constante.
  • MrJ
    MrJ
    Modifié (10 Mar)
    La solution de JLT est selon moi la meilleure si on connaît la notion de connexité.
    Si tu veux vraiment te limiter à la connexité par arcs, je vois les deux possibilités suivantes.
    1) Comme $C = \gamma([0,1])$ est compact, alors la distance de $C$ au complémentaire de $\Omega$ est strictement positive : cela te permettra de justifier que l'image de $\gamma_n$ est incluse dans $\Omega$ pour tout $n\in\N$ suffisamment grand.
    2) Comme $\Omega$ est ouvert, pour tout point $a \in C = \gamma([0,1])$, il existe une boule ouverte $B_a\subset \Omega$ centrée en $a$. Comme $(B_a)_{a\in C}$ est un recouvrement du compact $C$, tu peux en extraire un recouvrement fini. Tu peux en déduire l'existence d'une ligne brisée allant de $\gamma(0)$ jusqu'à $\gamma(1)$, puis conclure en appliquant l'inégalité des accroissements finis sur chaque segment de cette ligne brisée.
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