Soit f:R→R une fonction de classe C2 telle que f(0)=1.
Pour tout entier naturel n∈N∗, on définit la fonction gn sur R par :
gn(x)=(f(nx))n
Déterminer une condition nécessaire et suffisante sur la dérivée de f en 0 pour que la suite de fonctions (gn)n∈N∗ converge simplement sur R.
On suppose cette condition réalisée. Démontrer que la convergence est uniforme sur tout segment de R.
1.
Utiliser un développement limité de f au voisinage de 0 à l'ordre 2.
2.
Passer à la forme exponentielle gn(x)=exp(nln(f(x/n))) en justifiant que l'argument du logarithme est strictement positif pour n assez grand.
3.
Pour la convergence uniforme sur un segment [−A,A], utiliser le caractère C2 pour contrôler le reste du développement de Taylor.
Idées clés
•
Développement limité (DL) à l'ordre 2 pour capturer le comportement en 1/n.
•
Étude de la convergence du logarithme de la suite.
•
Uniformité du reste d'un développement de Taylor-Lagrange sur un compact.
1. Condition de convergence simple.
Soit x∈R fixé. Si x=0, gn(0)=f(0)n=1n=1, donc la suite converge toujours en 0.
Supposons x=0. Puisque f est de classe C2 et f(0)=1, on a le DL au voisinage de 0 :
f(t)=1+f′(0)t+2f′′(0)t2+o(t2)
En posant t=nx, qui tend vers 0 quand n→+∞, on obtient :
f(nx)=1+nf′(0)x+2nf′′(0)x2+o(n1)
Pour n suffisamment grand, f(x/n)>0, et on peut écrire :
ln(gn(x))=nln(1+nf′(0)x+2nf′′(0)x2+o(n1))
Premier cas : f′(0)=0.
ln(gn(x))=n(nf′(0)x+O(n1))=f′(0)xn+O(1)
Cette expression tend vers ±∞ (selon le signe de f′(0)x).
Ainsi, gn(x) ne converge pas vers une limite finie non nulle.
Deuxième cas : f′(0)=0.
Le développement devient :
Soit A>0 et I=[−A,A]. On suppose f′(0)=0.
D'après l'inégalité de Taylor-Lagrange, comme f est C2, il existe une fonction ε telle que :
f(t)=1+2f′′(0)t2+t2ε(t)avect→0limε(t)=0
Pour x∈I et n assez grand (tel que ∣x/n∣ soit dans un voisinage de 0 où f>0), on a :
ln(gn(x))=nln(1+nx2(2f′′(0)+ε(nx)))
On utilise l'inégalité ∣ln(1+u)−u∣≤u2 valable pour ∣u∣≤1/2.
Posons un(x)=nx2(2f′′(0)+ε(nx)).
Pour x∈I, ∣un(x)∣≤nA2C où C est une constante. Donc pour n assez grand, supx∈I∣un(x)∣→0.
Comme ε(t)→0 quand t→0, et que ∣x/n∣≤A/n, on a :
x∈Isupln(gn(x))−2f′′(0)x2n→+∞0
La convergence de ln(gn) vers x↦2f′′(0)x2 est uniforme sur I.
Par composition avec l'exponentielle (qui est uniformément continue sur tout segment contenant les valeurs de nos fonctions), on en déduit :
(gn) converge uniformeˊment vers x↦exp(2f′′(0)x2) sur [−A,A]
Oubli de la condition f'(0)=0 ou manque de rigueur sur le domaine du logarithme.
Méthode du passage à l'exponentielle pour les puissances n-ièmes dépendant d'un paramètre.