WikiPrépaLivrets

Série trigonométrique à coefficients de variation bornée

Soit (an)n0(a_n)_{n \geq 0} une suite de nombres réels convergeant vers 00. On suppose que la série (an+1an)\sum (a_{n+1} - a_n) est absolument convergente.

On considère la série de fonctions définie par :

S(x)=n=0+ansin(nx)S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n \sin(nx)

  1. Démontrer que pour tout réel xx, la série numérique ansin(nx)\sum a_n \sin(nx) converge.
  2. Pour δ]0,π[\delta \in ]0, \pi[, on pose Iδ=[δ,2πδ]I_\delta = [\delta, 2\pi - \delta]. Prouver que la série de fonctions converge uniformément sur IδI_\delta.

1.

Pour la question 1, utiliser la transformation d'Abel en introduisant les sommes partielles de la suite (sin(nx))n0(\sin(nx))_{n \geq 0}.

2.

Distinguer le cas où x2πZx \in 2\pi\mathbb{Z} du cas général.

3.

Pour la convergence uniforme, majorer le reste de la série indépendamment de xx sur l'intervalle IδI_\delta en utilisant la majoration uniforme des sommes partielles de sinus.

Idées clés

Transformation d'Abel pour les séries de type anbn\sum a_n b_n.

Majoration uniforme des sommes de sinus sur des intervalles évitant les multiples de 2π2\pi.

Étude du reste pour la convergence uniforme.

Résolution.

  1. Soit xRx \in \mathbb{R}. Premier cas : Si xx est un multiple de 2π2\pi, c'est-à-dire x2πZx \in 2\pi\mathbb{Z}. Alors pour tout kNk \in \mathbb{N}, sin(kx)=0\sin(kx) = 0. La série aksin(kx)\sum a_k \sin(kx) est la série nulle, elle converge donc trivialement vers 00. Deuxième cas : Si x2πZx \notin 2\pi\mathbb{Z}. Posons Bn(x)=k=0nsin(kx)B_n(x) = \sum_{k=0}^n \sin(kx). On sait que pour x2πZx \notin 2\pi\mathbb{Z} :
    Bn(x)=Im(k=0neikx)=Im(1ei(n+1)x1eix)B_n(x) = \text{Im}\left( \sum_{k=0}^n e^{ikx} \right) = \text{Im}\left( \frac{1 - e^{i(n+1)x}}{1 - e^{ix}} \right)
    En utilisant la technique de l'angle moitié 1eix=eix/2(2isin(x/2))1 - e^{ix} = e^{ix/2}(-2i\sin(x/2)), on obtient :
    Bn(x)21eix=1sin(x/2)|B_n(x)| \leq \frac{2}{|1 - e^{ix}|} = \frac{1}{|\sin(x/2)|}
    Ainsi, la suite (Bn(x))n0(B_n(x))_{n \geq 0} est bornée par une constante Mx=1sin(x/2)M_x = \frac{1}{|\sin(x/2)|}. Appliquons la transformation d'Abel à la somme partielle Sn(x)=k=0naksin(kx)S_n(x) = \sum_{k=0}^n a_k \sin(kx) en convenant que B1(x)=0B_{-1}(x) = 0 :
    Sn(x)=k=0nak(Bk(x)Bk1(x))=anBn(x)+k=0n1(akak+1)Bk(x)S_n(x) = \sum_{k=0}^n a_k (B_k(x) - B_{k-1}(x)) = a_n B_n(x) + \sum_{k=0}^{n-1} (a_k - a_{k+1}) B_k(x)
    Analysons la convergence de chaque terme quand n+n \to +\infty :
    • Comme an0a_n \to 0 et (Bn(x))(B_n(x)) est bornée, on a anBn(x)n+0a_n B_n(x) \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0.
    • Pour la série (akak+1)Bk(x)\sum (a_k - a_{k+1}) B_k(x), on observe que :
      (akak+1)Bk(x)akak+1Mx|(a_k - a_{k+1}) B_k(x)| \leq |a_k - a_{k+1}| M_x
    Par hypothèse, la série akak+1\sum |a_k - a_{k+1}| converge. Par comparaison, la série (akak+1)Bk(x)\sum (a_k - a_{k+1}) B_k(x) est absolument convergente, donc convergente. On en conclut que Sn(x)S_n(x) admet une limite finie quand n+n \to +\infty.
    La seˊrie ansin(nx) converge pour tout xR.\boxed{\text{La série } \sum a_n \sin(nx) \text{ converge pour tout } x \in \mathbb{R}.}

  2. Soit δ]0,π[\delta \in ]0, \pi[ et Iδ=[δ,2πδ]I_\delta = [\delta, 2\pi - \delta]. Pour tout xIδx \in I_\delta, on a sin(x/2)sin(δ/2)>0|\sin(x/2)| \geq \sin(\delta/2) > 0. Par conséquent, les sommes partielles Bn(x)B_n(x) sont uniformément bornées sur IδI_\delta :
    xIδ,nN,Bn(x)1sin(δ/2)=Mδ\forall x \in I_\delta, \forall n \in \mathbb{N},   |B_n(x)| \leq \frac{1}{\sin(\delta/2)} = M_\delta
    Reprenons l'expression du reste Rn(x)=k=n+1+aksin(kx)R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} a_k \sin(kx). En appliquant la transformation d'Abel (en faisant tendre la borne supérieure vers l'infini dans le calcul précédent) :
    Rn(x)=an+1Bn(x)+k=n+1+(akak+1)Bk(x)R_n(x) = -a_{n+1} B_n(x) + \sum_{k=n+1}^{+\infty} (a_k - a_{k+1}) B_k(x)
    On peut alors majorer le reste uniformément sur IδI_\delta :
    Rn(x)an+1Bn(x)+k=n+1+akak+1Bk(x)|R_n(x)| \leq |a_{n+1}| |B_n(x)| + \sum_{k=n+1}^{+\infty} |a_k - a_{k+1}| |B_k(x)|
    Rn(x)an+1Mδ+Mδk=n+1+akak+1|R_n(x)| \leq |a_{n+1}| M_\delta + M_\delta \sum_{k=n+1}^{+\infty} |a_k - a_{k+1}|
    Comme an0a_n \to 0 et que akak+1\sum |a_k - a_{k+1}| est le reste d'une série convergente qui tend vers 00, la borne supérieure de Rn(x)|R_n(x)| sur IδI_\delta tend vers 00.
    La seˊrie converge uniformeˊment sur tout segment [δ,2πδ].\boxed{\text{La série converge uniformément sur tout segment } [\delta, 2\pi - \delta].}

Confondre convergence simple de la suite des coefficients et variation bornée.

Utiliser la transformation d'Abel pour les séries trigonométriques.