Fonctions monstres !

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Timothé Lefebvre
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Fonctions monstres !

par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 06:33

Salut tout le monde :)

Certains d'entre vous connaissent sans doute les fonctions que l'on appelle sympathiquement "monstres" alors qu'elles ne le sont pas du tout.

Je m'explique : au lycée, et plus particulièrement en classe de Terminale, les profs ont souvent tendance à simplifier la notion de continuité d'une fonction pour leurs élèves en leur expliquant qu'une fonction continue a une représentation graphique dont la particularité est de pouvoir se tracer sans lever le stylo, en un seul trait.
J'ai déjà lu quelque part, d'un prof de maths, que cette "propriété" était suffisante pour prouver la continuité d'une fonction !!
Aberration me direz-vous, et vous auriez raison, car les fonctions monstres dérogent à la "règle".

Un exemple très simple :

Image

Si on trace cette fonction, on obtiendra visiblement une fonction linéaire, or en réalité celle-ci sera composée d'une infinité de petits segments, elle est donc bien discontinue.
Il ne faut pas se fier au fait que Image et Image\Image soient denses dans Image.


Weierstrass s'est en premier intéressé à ces fonctions pour nous livrer (en 1861) une première fonction continue dans son domaine de définition mais n'ayant de dérivée nulle part, voilà ce qu'il nous donne :

Image

On remarquera que si Image, f(x) converge uniformément ; on pourra ainsi déterminer un encadrement de la fonction de Weierstrass tel que :

Image

Si on veut s'amuser on peut étudier la majo et la mino des suites définies à partir de cette fonction, mais bon.

Après ces travaux, un autre mathématicien, Dini, a continué les recherches.
Il pose ceci : considérons Image une suite de fonctions continues et dérivables sur un intervalle [a,b] ; on note f(x) la fonction somme des termes de cette suite, et :

Image

Que donne la dérivée de cette fonction ?
Quelles sont les conditions pour que cette suite existe bien mais ne soit jamais dérivable sur un quelconque point de [a,b] ?

Voilà le résultat de mes recherches, j'espère que c'est assez bien exprimé pour que vous puissiez me comprendre !

See you

Tim



Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 06:50

Je pense pouvoir en partie m'auto-répondre (j'ai encore parlé trop vite !).

Je pense que la série doit converger uniformément sinon ça ne marche pas, on est d'accord ?

Autre question : qu'est-ce que ça donne graphiquement ces fonctions ? En gros ce sont des courbes sans tangentes, avec des "triangles" comme pour la fonction valeur absolue non ?

Clembou
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par Clembou » 30 Juin 2009, 10:18

Timothé Lefebvre a écrit:
Un exemple très simple :

Image

Si on trace cette fonction, on obtiendra visiblement une fonction linéaire, or en réalité celle-ci sera composée d'une infinité de petits segments, elle est donc bien discontinue.
Il ne faut pas se fier au fait que Image et Image\Image soient denses dans Image.


La fonction en question n'est pas continue car à chaque fois on doit lever le crayon pour aller chercher tantôt le 0 tantôt (). Donc je vois pas pourquoi c'est un contre-exemple au fait que une fonction est continue si on ne doit pas lever le stylo".

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 10:52

Il s'agit de garder à l'esprit que la pointe du stylo en question est infiniment fine...

Timothé Lefebvre a écrit:Si on trace cette fonction, on obtiendra visiblement une fonction linéaire, or en réalité celle-ci sera composée d'une infinité de petits segments, elle est donc bien discontinue.


La courbe est un nuage de points, il n'y a aucun segment non réduit à un point.

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 11:01

Dans mon idée, on trace pour la fonction dont je parle simplement une droite.

C'est seuleument en "zoomant" qu'on se rend compte qu'elle n'en est pas une.

C'est pas bon ?

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 11:10

Visuellement, le graphe de ta fonction ressemblera à la réunion de l'axe des abscisses et de la diagonale, oui. Mais ce que tu dessines sur un papier c'est la représentation du graphe de ta fonction, et comme personne n'est capable de dessiner un point mathématique, et que même si c'était possible, l'oeil ne pourrait pas le voir, cette représentation est imparfaite et te donne l'impression de l'union de deux droites.

Faut bien comprendre que cette histoire de stylo qui se lève c'est juste pour mettre une image sur la notion de continuité. Le jour où un élève doit faire face à des fonctions tordues, il a normalement eu le temps de prendre suffisamment de recul pour avoir compris la continuité d'un point de vue purement mathématique ("epsilonesque" diront certains).

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 11:12

D'accord donc en fait c'est une illustration, mais peut-on tout de même qualifier ça de "raison suffisante" ?

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 13:53

Parler de "raison suffisante" est peut-être un peu maladroit oui, puisque dire "on voit bien que le graphe se trace sans lever le crayon" n'est certainement pas une démonstration de la continuité d'une fonction.

Mais il est tout à fait exact de dire que la notion de continuité correspond à la possibilité de tracer une courbe sans lever le crayon. C'est juste que cette possibilité concerne un être capable de zoomer à l'infini, et muni d'un crayon infiniment précis...

Bastien L.
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par Bastien L. » 30 Juin 2009, 13:58

Bonjour,

"on voit bien que le graphe se trace sans lever le crayon" n'est pas suffisant à cause du "on voit bien que". Cela dit, s'il s'avère que la fonction peut-être tracée sans lever le crayon, elle est bien continue, non? Quel serait un contre-exemple? Restons simples…*^^

ft73
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par ft73 » 30 Juin 2009, 13:58

Une fonction est C° ssi son graphe est connexe par arc, si ma mémoire ne me trahit pas.

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 14:12

Bastien L. a écrit:Cela dit, s'il s'avère que la fonction peut-être tracée sans lever le crayon, elle est bien continue, non? Quel serait un contre-exemple? Restons simples…*^^


Bah justement, y a pas de contre-exemple, faut juste accepter l'existence de crayons infiniment fins. La fonction donnée par Timothé n'est pas un contre-exemple, car comme l'a dit Clembou, il faut lever le crayon pour aller chercher 0, puis le lever à nouveau pour aller chercher x quand x est rationnel. Ça n'empêche pas qu'en pratique, en regardant le graphe de la fonction tu verras deux droites, et pas un nuage de points (c'est pourtant un nuage de points en réalité !). Mais ça c'est parce que t'as la malchance d'être un humain normal incapable de représenter physiquement un point mathématique.

Bref, cette histoire de crayon n'est qu'une image, donc elle a forcément ses limites, et puisque vous en êtes arrivés au point où vous pouvez pointer du doigt ces limites, vous n'avez plus qu'à vous rabattre sur la définition formelle de la continuité :p

"ft73" a écrit:Une fonction est C° ssi son graphe est connexe par arc, si ma mémoire ne me trahit pas.


Mais la connexité par arcs est définie comme possibilité de joindre deux points quelconques par un chemin continu... donc ça fait un peu tautologie ^^

ft73
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par ft73 » 30 Juin 2009, 14:23

Mais la connexité par arcs est définie comme possibilité de joindre deux points quelconques par un chemin continu... donc ça fait un peu tautologie ^^


Totologique, mais pas tautologique !
On passe d'une notion locale en 1d à une autre globale et en 2d...

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 15:02

Bon les gars je suis pas en sup' moi lol !
Mais à part ça, une fonction de classe peut être dérivable non, mais pas forcément !?

Pour en revenir à "ma" fonction, c'est seuleument en apparence qu'on pourrait croire qu'elle est continue alors qu'elle est clairement composée d'une infinité de discontinuité. Je voulais pointer le fait que de réduire la continuité d'une fonction à son traçage de cette manière était quelque peut ... maladroit ?

Bastien L.
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par Bastien L. » 30 Juin 2009, 15:13

Je voulais pointer le fait que de réduire la continuité d'une fonction à son traçage de cette manière était quelque peut ... maladroit ?


Je pense qu'il vaut mieux prendre conscience du fait que la traçage n'est qu'apparemment continu, mais pas en vérité, plutôt que de penser que cette définition intuitive est fausse, alors qu'elle est juste…

À moins qu'elle ne soit vraiment fausse, mais ça n'a pas été prouvé…

Timothé Lefebvre
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par Timothé Lefebvre » 30 Juin 2009, 15:20

Bah pour moi le meilleur reste la bonne vieille définition, il n'y a que ça de vrai.

Bastien L.
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par Bastien L. » 30 Juin 2009, 15:27

En y repensant, quelque-chose m'inquiète:

"Soient un intervalle réel, et . La fonction est dite continue en si : :."

Avec cette définition, en quoi la fonction définie sur par n'est-elle pas continue?

Clembou
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par Clembou » 30 Juin 2009, 15:52

Skullkid a écrit:Ça n'empêche pas qu'en pratique, en regardant le graphe de la fonction tu verras deux droites, et pas un nuage de points (c'est pourtant un nuage de points en réalité !). Mais ça c'est parce que t'as la malchance d'être un humain normal incapable de représenter physiquement un point mathématique.


Le problème dans tout ça, c'est que la représentation graphique n'est pas conforme aux axiomes fixés à une fonction réelle. Si on trace deux droites, on aurait pour une même abscisse, deux ordonnées. On peut dire alors qu'un cercle peut être représentation d'une fonction (non implicite)....

On ne peut pas faire une réprésentation graphique de cette fonction au niveau macroscopique.

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 15:52

Bastien L. a écrit:À moins qu'elle ne soit vraiment fausse, mais ça n'a pas été prouvé…


On ne prouve pas une définition, ça n'a pas de sens... La définition de la continuité EST la mathématisation du "j'ai pas besoin de lever mon crayon".

Bastien L. a écrit:En y repensant, quelque-chose m'inquiète:

"Soient un intervalle réel, et . La fonction est dite continue en si : :."

Avec cette définition, en quoi la fonction définie sur par n'est-elle pas continue?


Ta définition c'est celle de la continuité d'une fonction définie sur un intervalle réel, et c'est pas un intervalle réel. Ta définition est inapplicable vu que f(x) n'est pas défini pour tout x de I. Plusieurs choix s'offrent à toi :

Soit tu complètes la définition de ta fonction pour en faire une fonction définie sur un intervalle, auquel cas tu pourras utiliser ta définition pour décider de sa continuité.

Soit tu la considères comme une fonction dont le domaine de définition est , auquel cas elle est continue sur .

uztop
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par uztop » 30 Juin 2009, 16:01

attention, on ne peut pas parler de continuité sur

Skullkid
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par Skullkid » 30 Juin 2009, 16:07

uztop a écrit:attention, on ne peut pas parler de continuité sur


Pourquoi pas ? C'est un espace topologique comme les autres, il est même vectoriel et normé...

 

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