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On considère la suite de fonctions (fn)n∈N∗(f_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définies sur R\mathbb{R} par :

∀x∈R,fn(x)=cos⁡((1+1n)x)\forall x \in \mathbb{R},   f_n(x) = \cos\left( \left( 1 + \frac{1}{n} \right) x \right)

  1. Déterminer la limite simple de cette suite sur R\mathbb{R}.
  2. La convergence est-elle uniforme sur R\mathbb{R} ?
  3. Démontrer que la suite converge uniformément sur tout segment [−a,a][-a, a] pour a>0a > 0.

1.

Pour la convergence simple, utiliser la continuité de la fonction cosinus.

2.

Pour la non-convergence uniforme sur R\mathbb{R}, chercher une suite (xn)(x_n) telle que xn/nx_n/n ne tende pas vers 0 (par exemple xn=nπx_n = n\pi).

3.

Utiliser une formule de trigonométrie pour majorer ∣fn(x)−f(x)∣|f_n(x) - f(x)| sur un segment.

Idées clés

•

Convergence simple par continuité du cosinus.

•

Utilisation de l'inégalité de Taylor-Lagrange ou de la trigonométrie pour la convergence uniforme.

•

Recherche d'un point de "déphasage" pour infirmer la convergence uniforme globale.

Résolution.

  1. Convergence simple : Soit x∈Rx \in \mathbb{R} fixé. On a lim⁡n→+∞(1+1n)x=x\lim_{n \to +\infty} (1 + \frac{1}{n})x = x. Par continuité de la fonction cosinus en xx, on en déduit :
    lim⁡n→+∞fn(x)=cos⁡(x)\lim_{n \to +\infty} f_n(x) = \cos(x)
    La suite (fn)(f_n) converge donc simplement sur R\mathbb{R} vers la fonction f:x↦cos⁡(x)f : x \mapsto \cos(x).

  2. Étude de la convergence uniforme sur R\mathbb{R :} On examine la quantité ∣fn(x)−f(x)∣|f_n(x) - f(x)|. En choisissant xn=nπx_n = n\pi, on obtient :
    fn(nπ)=cos⁡(nπ+π)=cos⁡((n+1)π)=(−1)n+1f_n(n\pi) = \cos(n\pi + \pi) = \cos((n+1)\pi) = (-1)^{n+1}
    f(nπ)=cos⁡(nπ)=(−1)nf(n\pi) = \cos(n\pi) = (-1)^n
    Ainsi :
    ∣fn(nπ)−f(nπ)∣=∣(−1)n+1−(−1)n∣=∣−2(−1)n∣=2|f_n(n\pi) - f(n\pi)| = |(-1)^{n+1} - (-1)^n| = |-2(-1)^n| = 2
    D'où :
    sup⁡x∈R∣fn(x)−f(x)∣≥2\sup_{x \in \mathbb{R}} |f_n(x) - f(x)| \geq 2
    La norme infinie de la différence ne tend pas vers 0.
    La suite (fn) ne converge pas uniformeˊment sur R.\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ ne converge pas uniformément sur } \mathbb{R}.}

  3. Convergence uniforme sur tout segment [−a,a][-a, a] : Soit a>0a > 0. Pour tout x∈[−a,a]x \in [-a, a], on utilise la formule de transformation :
    cos⁡(p)−cos⁡(q)=−2sin⁡(p+q2)sin⁡(p−q2)\cos(p) - \cos(q) = -2 \sin\left(\frac{p+q}{2}\right) \sin\left(\frac{p-q}{2}\right)
    Ici, avec p=(1+1n)xp = (1+\frac{1}{n})x et q=xq = x, on a p−q2=x2n\frac{p-q}{2} = \frac{x}{2n} et p+q2=x+x2n\frac{p+q}{2} = x + \frac{x}{2n}.
    ∣fn(x)−f(x)∣=2∣sin⁡(x+x2n)∣⋅∣sin⁡(x2n)∣≤2∣sin⁡(x2n)∣|f_n(x) - f(x)| = 2 \left| \sin\left(x + \frac{x}{2n}\right) \right| \cdot \left| \sin\left(\frac{x}{2n}\right) \right| \leq 2 \left| \sin\left(\frac{x}{2n}\right) \right|
    Or, pour tout u∈Ru \in \mathbb{R}, ∣sin⁡u∣≤∣u∣|\sin u| \leq |u|. Donc :
    ∣fn(x)−f(x)∣≤2∣x2n∣=∣x∣n≤an|f_n(x) - f(x)| \leq 2 \left| \frac{x}{2n} \right| = \frac{|x|}{n} \leq \frac{a}{n}
    Ainsi :
    sup⁡x∈[−a,a]∣fn(x)−f(x)∣≤an→n→+∞0\sup_{x \in [-a, a]} |f_n(x) - f(x)| \leq \frac{a}{n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0
    La suite (fn) converge uniformeˊment vers f sur tout segment [−a,a].\boxed{\text{La suite } (f_n) \text{ converge uniformément vers } f \text{ sur tout segment } [-a, a].}

Confondre convergence uniforme sur tout segment et convergence uniforme sur l'espace entier.

Utiliser des suites de points pour infirmer la convergence uniforme.