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Soit la fonction SS définie par la somme de série suivante :

S(x)=∑n=1+∞xn1+x2nS(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x^{n}}{1+x^{2 n}}

  1. Déterminer l'ensemble de définition de la fonction SS sur R+\mathbb{R}_{+}.
  2. Pour tout xx appartenant au domaine de définition (avec x≠0x \neq 0), établir une relation simple entre S(x)S(x) et S(1/x)S(1/x).
  3. Justifier la continuité de SS sur les intervalles [0,1[[0, 1[ et ]1,+∞[]1, +\infty[.
  4. Étudier les variations de SS sur son domaine et dresser son tableau de variations complet, en incluant les limites aux bornes.

1.

Pour le domaine, comparer le terme général à une suite géométrique selon la position de xx par rapport à 1.

2.

Pour la relation entre S(x)S(x) et S(1/x)S(1/x), factoriser par le terme de plus haut degré au dénominateur.

3.

Utiliser la convergence normale sur tout segment inclus dans le domaine de définition.

4.

Pour les variations, dériver terme à terme après avoir justifié le caractère C1\mathcal{C}^1.

Idées clés

•

Convergence de série par comparaison (critère de d'Alembert ou équivalents).

•

Convergence normale pour la continuité.

•

Théorème de dérivation terme à terme pour la monotonie.

Résolution.

  1. Posons fn(x)=xn1+x2nf_n(x) = \frac{x^n}{1+x^{2n}} pour x≥0x \geq 0.

    Si x=0x=0, fn(0)=0f_n(0)=0 pour tout n≥1n \geq 1, donc la série converge et S(0)=0S(0)=0.

    Si 0<x<10 < x < 1, on a fn(x)∼xnf_n(x) \sim x^n. Comme ∑xn\sum x^n converge (série géométrique de raison <1<1), S(x)S(x) est définie.

    Si x=1x = 1, fn(1)=12f_n(1) = \frac{1}{2}. La série ∑12\sum \frac{1}{2} diverge grossièrement.

    Si x>1x > 1, on a fn(x)∼xnx2n=1xnf_n(x) \sim \frac{x^n}{x^{2n}} = \frac{1}{x^n}. Comme ∑(1/x)n\sum (1/x)^n converge (raison <1<1), S(x)S(x) est définie.

    DS=[0,1[∪]1,+∞[\boxed{ \mathcal{D}_S = [0, 1[ \cup ]1, +\infty[ }

  2. Soit x∈DS∖{0}x \in \mathcal{D}_S \setminus \{0\}. On calcule :
    S(1/x)=∑n=1+∞(1/x)n1+(1/x)2n=∑n=1+∞1/xn(x2n+1)/x2nS(1/x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(1/x)^n}{1+(1/x)^{2n}} = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1/x^n}{(x^{2n}+1)/x^{2n}}

    En simplifiant par x2nx^{2n}, on obtient :

    S(1/x)=∑n=1+∞xn1+x2nS(1/x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x^n}{1+x^{2n}}

    ∀x∈DS∖{0},S(1/x)=S(x)\boxed{ \forall x \in \mathcal{D}_S \setminus \{0\},   S(1/x) = S(x) }

  3. Soit a∈[0,1[a \in [0, 1[. Pour tout x∈[0,a]x \in [0, a], on a 0≤fn(x)≤an0 \leq f_n(x) \leq a^n. La série ∑an\sum a^n converge, donc la série de fonctions ∑fn\sum f_n converge normalement, et donc uniformément, sur tout segment [0,a]⊂[0,1[[0, a] \subset [0, 1[. Les fonctions fnf_n étant continues, SS est continue sur [0,1[[0, 1[.

    Par l'équation fonctionnelle S(x)=S(1/x)S(x) = S(1/x), et par composition de fonctions continues (x↦1/xx \mapsto 1/x est continue sur ]1,+∞[]1, +\infty[ à valeurs dans ]0,1[]0, 1[), on en déduit que SS est continue sur ]1,+∞[]1, +\infty[.

  4. Les fonctions fnf_n sont de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0,1[[0, 1[. On calcule la dérivée :
    fn′(x)=nxn−1(1+x2n)−2nx2n−1xn(1+x2n)2=nxn−1(1−x2n)(1+x2n)2f_n'(x) = \frac{n x^{n-1}(1+x^{2n}) - 2n x^{2n-1} x^n}{(1+x^{2n})^2} = \frac{n x^{n-1}(1-x^{2n})}{(1+x^{2n})^2}

    Pour x∈[0,1[x \in [0, 1[, 1−x2n>01-x^{2n} > 0, donc fn′(x)≥0f_n'(x) \geq 0. Par sommation de la monotonie (ou dérivation terme à terme), SS est strictement croissante sur [0,1[[0, 1[.

    En 00, S(0)=0S(0)=0. En 1−1^-, pour x∈[0,1[x \in [0, 1[, fn(x)≥xn2f_n(x) \geq \frac{x^n}{2}. Ainsi S(x)≥12∑n=1+∞xn=x2(1−x)S(x) \geq \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{+\infty} x^n = \frac{x}{2(1-x)}. Par comparaison, lim⁡x→1−S(x)=+∞\lim_{x \to 1^-} S(x) = +\infty.

    Par symétrie, SS est strictement décroissante sur ]1,+∞[]1, +\infty[, avec lim⁡x→1+S(x)=+∞\lim_{x \to 1^+} S(x) = +\infty et lim⁡x→+∞S(x)=0\lim_{x \to +\infty} S(x) = 0.

Convergence non uniforme au voisinage des bornes du domaine.

L'utilisation de symétries pour simplifier l'étude d'une fonction somme.