WikiPrépaLivrets

Non-interversion limite-intégrale sur un segment

Pour tout nNn \in \mathbb{N}, on considère la fonction fnf_n définie sur [0,1][0, 1] par :

fn(x)=3n(x2nx2n+1)f_n(x) = 3^n \left( x^{2^n} - x^{2^{n+1}} \right)

  1. Étudier la convergence simple de la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} sur le segment [0,1][0, 1].
  2. Déterminer la limite de la suite de terme général In=01fn(x)dxI_n = \int_0^1 f_n(x)   dx.
  3. Comparer ce résultat avec l'intégrale de la limite simple. Quelle conclusion peut-on en tirer concernant la nature de la convergence ?

1.

Pour la convergence simple, utiliser la forme exponentielle xa=exp(alnx)x^a = \exp(a \ln x) pour x]0,1[x \in ]0, 1[.

2.

L'intégrale se calcule directement par primitivation des fonctions puissances.

3.

Repenser aux théorèmes de convergence (uniforme ou dominée) sur un segment.

Idées clés

Étude locale du comportement exponentiel (croissances comparées).

Calcul explicite d'intégrales de fonctions puissances.

Théorème d'interversion limite-intégrale et ses conditions nécessaires.

Résolution.

  1. Convergence simple : Si x=0x = 0 ou x=1x = 1, on a fn(0)=3n(00)=0f_n(0) = 3^n(0-0) = 0 et fn(1)=3n(11)=0f_n(1) = 3^n(1-1) = 0. Ainsi, fn(x)0f_n(x) \to 0. Pour x]0,1[x \in   ]0, 1[, on écrit x2n=exp(2nlnx)x^{2^n} = \exp(2^n \ln x). Comme lnx<0\ln x < 0, on a limn+2nlnx=\lim_{n \to +\infty} 2^n \ln x = -\infty. Par croissance comparée, le terme 2n2^n l'emporte sur nln3n \ln 3, donc :
    3nx2n=exp(nln3+2nlnx)n+03^n x^{2^n} = \exp(n \ln 3 + 2^n \ln x) \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0
    De la même manière, 3nx2n+103^n x^{2^{n+1}} \to 0. Par différence :
    La suite (fn) converge simplement vers la fonction nulle sur [0,1].\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ converge simplement vers la fonction nulle sur } [0, 1].}

  2. Calcul de l'intégrale : Par linéarité de l'intégrale :
    In=3n(01x2ndx01x2n+1dx)=3n[x2n+12n+1x2n+1+12n+1+1]01I_n = 3^n \left( \int_0^1 x^{2^n} dx - \int_0^1 x^{2^{n+1}} dx \right) = 3^n \left[ \frac{x^{2^n+1}}{2^n+1} - \frac{x^{2^{n+1}+1}}{2^{n+1}+1} \right]_0^1
    On obtient :
    In=3n(12n+112n+1+1)=3n(2n+1+1)(2n+1)(2n+1)(2n+1+1)I_n = 3^n \left( \frac{1}{2^n+1} - \frac{1}{2^{n+1}+1} \right) = 3^n \frac{(2^{n+1}+1) - (2^n+1)}{(2^n+1)(2^{n+1}+1)}
    En simplifiant le numérateur :
    In=3n2n(2n+1)(2n+1+1)I_n = \frac{3^n \cdot 2^n}{(2^n+1)(2^{n+1}+1)}
    Cherchons un équivalent en l'infini :
    In6n2n2n+1=12(64)n=12(32)nI_n \sim \frac{6^n}{2^n \cdot 2^{n+1}} = \frac{1}{2} \left( \frac{6}{4} \right)^n = \frac{1}{2} \left( \frac{3}{2} \right)^n
    Comme 3/2>13/2 > 1, on en déduit :
    limn+In=+\boxed{\lim_{n \to +\infty} I_n = +\infty}

  3. Conclusion : D'une part, 01(limn+fn(x))dx=010dx=0\int_0^1 (\lim_{n \to +\infty} f_n(x)) dx = \int_0^1 0   dx = 0. D'autre part, limn+01fn(x)dx=+\lim_{n \to +\infty} \int_0^1 f_n(x) dx = +\infty. Comme il n'y a pas égalité (et même divergence), on en déduit que :
    La convergence de (fn) vers 0 n’est pas uniforme sur [0,1].\boxed{\text{La convergence de } (f_n) \text{ vers } 0 \text{ n'est pas uniforme sur } [0, 1].}
    Cela invalide également toute hypothèse de domination sur [0,1][0, 1].

Ne pas confondre convergence simple vers 0 et convergence de l'intégrale vers 0.

Si l'interversion limite-intégrale échoue sur un segment, la convergence n'est pas uniforme.