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Soit (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}^*} la suite de fonctions définies sur [0,1][0, 1] par :

fn(x)={n2x(1nx)si x[0,1n]0si x]1n,1]f_{n}(x) = \begin{cases} n^2 x(1 - nx) & \text{si } x \in \left[0, \frac{1}{n}\right]
0 & \text{si } x \in \left]\frac{1}{n}, 1\right] \end{cases}

  1. Déterminer la limite simple de la suite (fn)(f_n) sur [0,1][0, 1].
  2. Calculer la valeur de l'intégrale In=01fn(t)dtI_n = \int_{0}^{1} f_n(t)   \mathrm{d}t pour tout n1n \ge 1.
  3. La suite (fn)(f_n) converge-t-elle uniformément sur [0,1][0, 1] ? Justifier soigneusement.
  4. Soit a]0,1]a \in ]0, 1]. Étudier la convergence uniforme de la suite (fn)(f_n) sur l'intervalle [a,1][a, 1].

1.

Pour la limite simple, fixer xx et observer le comportement de fn(x)f_n(x) lorsque nn devient supérieur à 1/x1/x.

2.

Pour l'intégrale, effectuer le calcul sur l'intervalle [0,1/n][0, 1/n] où la fonction n'est pas nulle.

3.

Utiliser le lien entre convergence uniforme et passage à la limite sous le signe intégral.

4.

Remarquer qu'à partir d'un certain rang, les fonctions fnf_n sont identiquement nulles sur [a,1][a, 1].

Idées clés

Définition de la convergence simple (fixer xx).

Lien CU    CU \implies interversion limite-intégrale sur un segment.

Analyse du support [0,1/n][0, 1/n] qui "s'écrase" vers 0.

Résolution.

  1. Convergence simple : Soit x[0,1]x \in [0, 1]. Si x=0x = 0, alors pour tout n1n \ge 1, fn(0)=n20(10)=0f_n(0) = n^2 \cdot 0 \cdot (1-0) = 0. Donc limnfn(0)=0\lim_{n \to \infty} f_n(0) = 0. Si x]0,1]x \in ]0, 1], il existe un rang NNN \in \mathbb{N} tel que pour tout nNn \ge N, on ait 1n<x\frac{1}{n} < x (il suffit de prendre N>1xN > \frac{1}{x}). Pour de tels nn, x[0,1/n]x \notin [0, 1/n], donc fn(x)=0f_n(x) = 0. Ainsi, la suite numérique (fn(x))(f_n(x)) est nulle à partir du rang NN.
    La suite (fn) converge simplement vers la fonction nulle f0 sur [0,1].\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ converge simplement vers la fonction nulle } f \equiv 0 \text{ sur } [0, 1].}

  2. Calcul de l'intégrale : Fixons n1n \ge 1. Par définition de fnf_n :
    In=01/nn2t(1nt)dt+1/n10dtI_n = \int_{0}^{1/n} n^2 t (1 - nt)   \mathrm{d}t + \int_{1/n}^{1} 0   \mathrm{d}t
    Développons l'expression sous l'intégrale :
    In=n201/n(tnt2)dt=n2[t22nt33]01/nI_n = n^2 \int_{0}^{1/n} (t - nt^2)   \mathrm{d}t = n^2 \left[ \frac{t^2}{2} - \frac{nt^3}{3} \right]_0^{1/n}
    En évaluant aux bornes :
    In=n2(12n2n3n3)=1213=16I_n = n^2 \left( \frac{1}{2n^2} - \frac{n}{3n^3} \right) = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}
    n1,In=16\boxed{ \forall n \ge 1,   I_n = \frac{1}{6} }

  3. Convergence uniforme sur [0,1][0, 1] : Supposons que la suite (fn)(f_n) converge uniformément vers la fonction nulle ff sur le segment [0,1][0, 1]. D'après le théorème de convergence uniforme sur un segment, on devrait avoir :
    limn01fn(t)dt=01limnfn(t)dt=010dt=0\lim_{n \to \infty} \int_{0}^{1} f_n(t)   \mathrm{d}t = \int_{0}^{1} \lim_{n \to \infty} f_n(t)   \mathrm{d}t = \int_{0}^{1} 0   \mathrm{d}t = 0
    Or, nous avons calculé que limnIn=160\lim_{n \to \infty} I_n = \frac{1}{6} \neq 0. Il y a donc une contradiction.
    La suite (fn) ne converge pas uniformeˊment sur [0,1].\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ ne converge pas uniformément sur } [0, 1].}

  4. Convergence uniforme sur [a,1][a, 1] : Soit a>0a > 0. Considérons n0n_0 tel que 1n0<a\frac{1}{n_0} < a (soit n0>1an_0 > \frac{1}{a}). Pour tout nn0n \ge n_0 et pour tout x[a,1]x \in [a, 1], on a x>1nx > \frac{1}{n}, donc fn(x)=0f_n(x) = 0. Ainsi, pour tout nn0n \ge n_0, supx[a,1]fn(x)0=0\sup_{x \in [a, 1]} |f_n(x) - 0| = 0.
    La suite (fn) converge uniformeˊment vers 0 sur [a,1].\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ converge uniformément vers } 0 \text{ sur } [a, 1].}

Confusion entre convergence simple et convergence de l'intégrale.

Le test de l'intégrale pour infirmer la convergence uniforme sur un segment.