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Équations fonctionnelles : substitutions, injectivité, surjectivité

Domaine : Algèbre · Niveau : intermédiaire · Prérequis : aucun

L'idée

Une équation fonctionnelle est vraie pour toutes les valeurs des variables. Chaque choix de valeurs, une substitution, donne donc une nouvelle relation, gratuite. Le travail consiste à choisir les substitutions qui apprennent quelque chose sur \(f\).

On procède presque toujours dans cet ordre :

  1. Deviner les solutions. On teste les constantes, \(f(x) = x\), \(f(x) = -x\), \(f(x) = ax + b\). Connaître la réponse dit quelles propriétés chercher.
  2. Calculer des valeurs particulières : \(f(0)\), \(f(1)\), \(f(-1)\), avec des substitutions comme \(x = y = 0\).
  3. Établir des propriétés de \(f\) : injectivité, surjectivité, parité, périodicité, points fixes.
  4. Conclure, puis vérifier que chaque fonction trouvée satisfait l'équation de départ. Ce dernier point est obligatoire : les étapes précédentes montrent seulement que les solutions sont parmi les candidates.

Substitutions de base

Substitution Effet typique
\(x = 0\), \(y = 0\), \(x = y = 0\) Calcule \(f(0)\) et simplifie l'équation
\(y = x\) ou \(y = -x\) Fait apparaître \(f(2x)\), \(f(x^2)\) ou \(f(0)\)
Échanger \(x\) et \(y\) Si un membre est symétrique, on soustrait les deux versions
Une valeur qui rend deux arguments égaux Par exemple \(y = \frac{x}{x-1}\) rend \(x + y = xy\), et les termes \(f(x + y)\) et \(f(xy)\) se comparent
$y = $ une expression en \(f\) Par exemple \(y = -f(x)\) ou \(y = x - f(x)\), pour faire apparaître \(f(0)\) ou une valeur connue

Injectivité et surjectivité

  • \(f\) est injective si \(f(a) = f(b)\) entraîne \(a = b\). On le prouve en supposant \(f(a) = f(b)\), puis en injectant \(a\) et \(b\) dans l'équation à un endroit où ils apparaissent hors de \(f\). Une fois \(f\) injective, on peut « simplifier par \(f\) » : \(f(A) = f(B)\) donne \(A = B\).
  • \(f\) est surjective si toute valeur est atteinte. On le prouve en trouvant une substitution où un membre vaut \(f(\text{quelque chose})\) et l'autre parcourt tous les réels, par exemple \(x + c\). Une fois \(f\) surjective, on peut choisir un \(a\) avec \(f(a) = 0\) (ou toute autre valeur utile) et le substituer.
  • Le cas le plus fréquent : une relation du type \(f(f(x)) = x + c\) rend \(f\) bijective d'un coup. En effet, \(f(a) = f(b)\) donne \(f(f(a)) = f(f(b))\), soit \(a = b\) ; et tout réel \(t\) vaut \(f\big(f(t - c)\big)\).

Exemple résolu

Problème (Shortlist 2002 A1)

Trouver toutes les fonctions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telles que, pour tous réels \(x, y\),

\[f\big(f(x) + y\big) = 2x + f\big(f(y) - x\big).\]

Étape 1 : deviner. Essayons \(f(x) = ax + b\). Le membre de gauche vaut \(a^2 x + ab + ay + b\), le membre de droite \((2 - a)x + a^2 y + ab + b\). En identifiant les coefficients de \(x\) et de \(y\) : \(a^2 = 2 - a\) et \(a = a^2\), d'où \(a = 1\). On s'attend donc à \(f(x) = x + b\) pour une constante \(b\).

Étape 2 : surjectivité. Le membre de gauche fait apparaître \(f(0)\) si l'on prend \(y = -f(x)\) :

\[f(0) = 2x + f\Big(f\big(-f(x)\big) - x\Big), \quad \text{soit} \quad f\Big(f\big(-f(x)\big) - x\Big) = f(0) - 2x.\]

Quand \(x\) parcourt \(\mathbb{R}\), le membre de droite \(f(0) - 2x\) parcourt tous les réels : \(f\) est surjective.

Étape 3 : utiliser un zéro. Soit \(a\) tel que \(f(a) = 0\). Avec \(x = a\), l'équation devient

\[f(y) = 2a + f\big(f(y) - a\big).\]

Comme \(f\) est surjective, \(f(y)\) prend toutes les valeurs réelles \(z\) : on a \(f(z - a) = z - 2a\) pour tout \(z\). En posant \(t = z - a\), il vient \(f(t) = t - a\) pour tout réel \(t\).

Étape 4 : vérifier. Pour \(f(x) = x + c\) (\(c\) quelconque), le membre de gauche vaut \(x + y + 2c\) et le membre de droite \(2x + (y + c - x) + c = x + y + 2c\). Les solutions sont exactement les fonctions \(f(x) = x + c\).

La substitution clé, \(y = -f(x)\), a été choisie pour annuler l'argument du membre de gauche. C'est le réflexe à prendre : regarder ce qui est à l'intérieur de \(f\) et chercher la valeur qui le rend simple.

Comment le reconnaître

  • L'énoncé demande de trouver toutes les fonctions vérifiant une relation pour toutes les valeurs des variables : cette page s'applique toujours, avant toute méthode plus spécialisée.
  • \(f\) apparaît à l'intérieur de \(f\) (\(f(f(x))\), \(f(x + f(y))\)) : penser à l'injectivité, à la surjectivité et aux points fixes.
  • Une variable apparaît seule, hors de \(f\) (un terme \(+ y\) ou \(2x\)) : c'est elle qui donne l'injectivité ou la surjectivité.
  • Le domaine est \(\mathbb{Z}\) ou \(\mathbb{N}\) : les substitutions se combinent avec une récurrence.

Techniques classiques

Situation Technique
Un terme comme \(f(x + f(y))\) Annuler ou fixer l'argument avec une substitution en \(f\) (exemple résolu)
Deux substitutions donnent le même membre Égaler les deux autres membres ; on obtient souvent une relation de récurrence
\(f(x)\) et \(f(1 - x)\), ou \(f(x)\) et \(f\left(\frac{1}{x}\right)\) Substituer \(x \mapsto 1 - x\) (ou \(\frac{1}{x}\)) et résoudre le système obtenu
Les mêmes expressions à l'intérieur et à l'extérieur de \(f\) La méthode des points fixes (section suivante)
Une équation additive \(f(x + y) = f(x) + f(y)\) apparaît Voir Équation de Cauchy
Plusieurs solutions candidates Montrer que pour chaque \(x\), \(f(x)\) vaut l'une ou l'autre, puis exclure les mélanges

Exercices d'échauffement

  1. Trouver toutes les \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telles que \(f(x + y) = x + f(y)\) pour tous \(x, y\).
  2. Trouver toutes les \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telles que \(f(x)f(y) - f(xy) = x + y\). Indication : calculer \(f(0)\).
  3. Trouver toutes les \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telles que \(f(x) + 2f(1 - x) = x^2\). Indication : remplacer \(x\) par \(1 - x\).
  4. Soit \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telle que \(f(f(x)) = x + 1\) pour tout \(x\). Montrer que \(f\) est bijective et que \(f(x + 1) = f(x) + 1\).
  5. Soit \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telle que \(f(x + f(y)) = f(x) + y\) pour tous \(x, y\). Montrer que \(f\) est bijective, que \(f(0) = 0\), puis que \(f(f(y)) = y\).

Substitutions dans la shortlist

  • 2015 A2 : on trouve un \(z\) avec \(f(z) = -1\), puis on l'injecte pour obtenir \(f(x + 1) = f(f(x))\).
  • 2019 A1 : deux substitutions donnent le même membre \(f(f(n + 1))\) ; on en déduit que \(f(n + 1) - f(n)\) est constant.
  • 2017 A6 : \(y = \frac{x}{x - 1}\) rend \(x + y = xy\) et fournit des zéros de \(f\) ; \(y = 1\) donne \(f(x + 1) = f(x) + 1\).
  • 2020 A8, solution 1 : \(x = 1\) exprime \(y\) en fonction de \(f(y)\), donc \(f\) est injective.
  • 2016 A4 : échanger \(x\) et \(y\) dans un membre symétrique, puis l'injectivité conclut.

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 2 (M. Aassila), p. 490 à 494 (injectivité, surjectivité, bijectivité, avec exemples), p. 494 à 499 (fonctions paires, périodiques, monotones), p. 521 à 526 (méthodes : valeurs particulières, récurrence, substitutions, symétries), p. 27 (récurrence et équations fonctionnelles). Pour l'exercice 3, voir aussi le tome 1, chapitre 5 (systèmes d'équations, p. 301).

Pour aller plus loin : la méthode des points fixes

Un point fixe de \(f\) est un nombre \(c\) tel que \(f(c) = c\). Beaucoup d'équations fonctionnelles se résolvent en étudiant l'ensemble des points fixes. La méthode a quatre temps.

  1. Fabriquer des points fixes. On cherche une substitution qui donne une égalité de la forme \(f(E) = E\). Alors \(E\) est un point fixe, pour toutes les valeurs des variables.
  2. Contraindre les points fixes. On remplace une variable par un point fixe \(c\) dans l'équation de départ. On obtient une condition sur \(c\), qui limite les points fixes possibles.
  3. Propager. On montre que si \(c\) est un point fixe, alors \(c + 1\), \(2c\), \(-c\), … le sont aussi.
  4. Conclure. Si tout réel est un point fixe, alors \(f(x) = x\). Si un seul nombre \(c_0\) peut être point fixe et que \(E\) est toujours un point fixe, alors \(E = c_0\), ce qui donne souvent \(f\) directement.

Exemple : Shortlist 2015 A4

Trouver toutes les fonctions \(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}\) telles que, pour tous réels \(x, y\),

\[f\big(x + f(x+y)\big) + f(xy) = x + f(x+y) + y f(x).\]

Fabriquer. Avec \(y = 1\), les termes \(f(x)\) se simplifient et il reste

\[f\big(x + f(x+1)\big) = x + f(x+1).\]

Donc \(x + f(x+1)\) est un point fixe de \(f\) pour tout réel \(x\).

Contraindre. Avec \(x = 0\), on obtient \(f\big(f(y)\big) + f(0) = f(y) + y f(0)\). Si \(c\) est un point fixe, la substitution \(y = c\) donne \(c + f(0) = c + c\,f(0)\), soit \(f(0)(c - 1) = 0\).

Conclure dans le cas \(f(0) \neq 0\). Le seul point fixe possible est alors \(c = 1\). Comme \(x + f(x+1)\) est un point fixe, \(x + f(x+1) = 1\) pour tout \(x\), c'est-à-dire \(f(x) = 2 - x\).

Le cas \(f(0) = 0\) utilise l'étape de propagation : si \(c\) et \(c + 1\) sont des points fixes, alors \(c + 2\) aussi. On en déduit que \(f\) est impaire, puis que \(f(x) = x\). Les détails sont dans la solution complète.

Quand y penser. Une substitution fait apparaître la même expression à l'intérieur et à l'extérieur de \(f\). C'est souvent le cas avec \(x = y\), \(y = 0\) ou \(y = 1\).

Dans la shortlist

  • 2015 A4 : l'exemple ci-dessus.
  • 2019 A7, solution 2 : un entier \(f\)-rare \(v\) vérifie \(f(v) = v\).
  • 2024 A7 : la substitution \(x = y\) montre que \(x + f(x)\) est un point fixe pour tout \(x\).

Pour approfondir : Objectif Olympiades de Mathématiques, tome 2 (M. Aassila), chapitre 4, en particulier la section sur les méthodes (p. 521).

Problèmes de la shortlist

50 problèmes · difficulté moyenne : ★★★★★ (3,0) · dont 12 choisis pour l'OIM
Répartition par difficulté : 1 ★ : 5 · 2 ★ : 12 · 3 ★ : 16 · 4 ★ : 11 · 5 ★ : 6

Problème Difficulté Concepts
2023 A2 ★☆☆☆☆ -
2019 A1 · OIM P1 ★☆☆☆☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2018 A1 ★☆☆☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE
2015 A2 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2013 N1 ★☆☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2025 A4 ★★☆☆☆ Principe extrémal · Principe des tiroirs
2025 N4 ★★☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2024 A4 ★★☆☆☆ Partie entière et majorations · Récurrence et constructions récursives · Principe extrémal
2022 A3 · OIM P2 ★★☆☆☆ AM-GM et moyennes · Convexité, inégalité de Jensen, lissage
2019 N4 ★★☆☆☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Principe des tiroirs
2017 A3 ★★☆☆☆ Principe des tiroirs
2016 A4 ★★☆☆☆ -
2013 A3 · OIM P5 ★★☆☆☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité · Partie entière et majorations
2012 A1 · OIM P4 ★★☆☆☆ Récurrence et constructions récursives
2011 A3 ★★☆☆☆ Polynômes : racines, relations de Viète, factorisation
2010 A1 · OIM P1 ★★☆☆☆ Partie entière et majorations
2008 A1 · OIM P4 ★★☆☆☆ -
2023 A4 ★★★☆☆ Sommes, télescopage et transformation d'Abel
2018 A5 ★★★☆☆ Suites et récurrences
2015 A4 · OIM P5 ★★★☆☆ -
2014 A4 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler · Récurrence et constructions récursives
2013 A5 ★★★☆☆ Double comptage · Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2012 A5 ★★★☆☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2011 A4 ★★★☆☆ Récurrence et constructions récursives · Principe extrémal
2011 A6 · OIM P3 ★★★☆☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2010 A5 ★★★☆☆ Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme
2010 N5 · OIM P3 ★★★☆☆ Valuations p-adiques et lemme LTE · Diviseurs premiers : Zsigmondy, premiers divisant un polynôme
2009 A3 · OIM P5 ★★★☆☆ Principe extrémal
2009 A5 ★★★☆☆ Suites et récurrences
2008 A3 ★★★☆☆ Principe extrémal
2007 A2 ★★★☆☆ Principe extrémal
2007 A4 ★★★☆☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2007 N5 ★★★☆☆ Congruences, théorèmes de Fermat et d'Euler
2024 A7 · OIM P6 ★★★★☆ Partie entière et majorations · Principe extrémal
2022 A6 ★★★★☆ Partie entière et majorations
2020 A6 ★★★★☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Principe extrémal
2017 A6 · OIM P2 ★★★★☆ -
2016 N6 ★★★★☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2016 A7 ★★★★☆ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2015 A5 ★★★★☆ Sommes, télescopage et transformation d'Abel · Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2013 N6 ★★★★☆ Partie entière et majorations · Principe extrémal
2010 A6 ★★★★☆ Principe extrémal
2009 A7 ★★★★☆ -
2008 A6 ★★★★☆ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide
2024 N7 ★★★★★ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Valuations p-adiques et lemme LTE · Graphes : degrés, chemins, arbres
2023 N8 ★★★★★ Divisibilité, PGCD et algorithme d'Euclide · Fonctions arithmétiques : nombre de diviseurs, indicatrice d'Euler, somme des diviseurs · Théorème des restes chinois
2021 A8 ★★★★★ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité · Convexité, inégalité de Jensen, lissage
2020 A8 ★★★★★ Équations fonctionnelles : équation de Cauchy, monotonie, continuité
2019 A7 ★★★★★ Valuations p-adiques et lemme LTE · Principe extrémal
2014 A6 ★★★★★ Équations diophantiennes : factorisation et encadrement · Suites et récurrences