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Analyser la convergence simple et uniforme des suites de fonctions suivantes sur les domaines indiqués.

  1. fn(x)=sin⁡(nx)nxf_n(x) = \frac{\sin(nx)}{n\sqrt{x}} sur ]0,+∞[]0, +\infty[, avec fn(0)=0f_n(0)=0.
  2. fn(x)=sin⁡x+4n2π2f_n(x) = \sin \sqrt{x+4n^2\pi^2} sur [a,b]⊂R[a, b] \subset \mathbb{R}.
  3. gn(x)=cos⁡n(x)sin⁡(x)g_n(x) = \cos^n(x) \sin(x) sur [0,π/2][0, \pi/2].
  4. hn(x)=sin⁡xcos⁡nx1−cos⁡xh_n(x) = \frac{\sin x \cos^n x}{1-\cos x} sur ]0,π/2[]0, \pi/2[.
  5. in(x)=sin⁡xx(1+nx)i_n(x) = \frac{\sin x}{x(1+nx)} sur ]0,π]]0, \pi].
  6. jn(x)=sin⁡2(nx)nsin⁡xj_n(x) = \frac{\sin^2(nx)}{n\sin x} sur ]0,π[]0, \pi[.
  7. kn(x)=sin⁡(n+1nx)k_n(x) = \sin\left(\frac{n+1}{n}x\right) sur tout compact de R\mathbb{R}.

1.

Pour (1), utiliser ∣sin⁡u∣≤∣u∣|\sin u| \leq |u| pour xx proche de 0 et ∣sin⁡u∣≤1|\sin u| \leq 1 pour xx grand.

2.

Pour (2), effectuer un développement limité de la racine carrée.

3.

Pour (6), évaluer la fonction en xn=1/nx_n = 1/n.

Idées clés

•

Majoration uniforme de l'oscillation.

•

Développement limité pour les arguments trigonométriques complexes.

Résolution.

  1. Étude de fn(x)=sin⁡(nx)nxf_n(x) = \frac{\sin(nx){n\sqrt{x}} :} Pour tout x>0x > 0, fn(x)→0f_n(x) \to 0. fn(0)=0f_n(0)=0. La limite simple est f=0f=0. Si x≥1/nx \geq 1/n, ∣fn(x)∣≤1n1/n=1n|f_n(x)| \leq \frac{1}{n\sqrt{1/n}} = \frac{1}{\sqrt{n}}. Si 0<x<1/n0 < x < 1/n, ∣fn(x)∣≤nxnx=x≤1n|f_n(x)| \leq \frac{nx}{n\sqrt{x}} = \sqrt{x} \leq \frac{1}{\sqrt{n}}. Dans les deux cas, ∥fn∥∞≤1n→n→∞0\|f_n\|_\infty \leq \frac{1}{\sqrt{n}} \xrightarrow{n \to \infty} 0. CVU sur R+\mathbb{R_+}.

  2. Étude de fn(x)=sin⁡x+4n2π2f_n(x) = \sin \sqrt{x+4n^2\pi^2 :}
    x+4n2π2=2nπ1+x4n2π2=2nπ(1+x8n2π2+O(1n4))=2nπ+x4nπ+O(1n3)\sqrt{x+4n^2\pi^2} = 2n\pi \sqrt{1 + \frac{x}{4n^2\pi^2}} = 2n\pi \left( 1 + \frac{x}{8n^2\pi^2} + O\left(\frac{1}{n^4}\right) \right) = 2n\pi + \frac{x}{4n\pi} + O\left(\frac{1}{n^3}\right)
    Par périodicité du sinus : fn(x)=sin⁡(x4nπ+O(1/n3))f_n(x) = \sin\left(\frac{x}{4n\pi} + O(1/n^3)\right). Ainsi, fn(x)→n→∞0f_n(x) \xrightarrow{n \to \infty} 0 pour tout xx. Sur un compact [a,b][a, b], le terme x/4nπx/4n\pi tend vers 0 uniformément. CVU sur tout compact.

  3. Étude de gn(x)=cos⁡n(x)sin⁡(x)g_n(x) = \cos^n(x) \sin(x) : Si x∈]0,π/2]x \in ]0, \pi/2], cos⁡x∈[0,1[\cos x \in [0, 1[ donc cos⁡nx→0\cos^n x \to 0. Si x=0x=0, sin⁡(0)=0\sin(0)=0. Limite simple g=0g=0. gn′(x)=cos⁡n−1x(cos⁡2x−nsin⁡2x)=cos⁡n−1x(1−(n+1)sin⁡2x)g_n'(x) = \cos^{n-1}x(\cos^2 x - n\sin^2 x) = \cos^{n-1}x(1 - (n+1)\sin^2 x). Maximum en sin⁡2xn=1n+1\sin^2 x_n = \frac{1}{n+1}. Alors gn(xn)∼1n(1−12n)n∼1neg_n(x_n) \sim \frac{1}{\sqrt{n}} \left(1 - \frac{1}{2n}\right)^n \sim \frac{1}{\sqrt{ne}}. Puisque gn(xn)→0g_n(x_n) \to 0, il y a CVU sur [0,π/2][0, \pi/2].

  4. Étude de hn(x)=sin⁡xcos⁡nx1−cos⁡xh_n(x) = \frac{\sin x \cos^n x{1-\cos x} :} Limite simple nulle sur ]0,π/2[]0, \pi/2[. En xx proche de 0, hn(x)∼x⋅1x2/2=2/xh_n(x) \sim \frac{x \cdot 1}{x^2/2} = 2/x. La fonction hnh_n n'est pas bornée au voisinage de 0, donc pas de CVU sur ]0,π/2[]0, \pi/2[. CVU sur [a,π/2[[a, \pi/2[ pour a>0a > 0 car ∣cos⁡x∣≤cos⁡a<1|\cos x| \leq \cos a < 1.

  5. Étude de in(x)=sin⁡xx(1+nx)i_n(x) = \frac{\sin x{x(1+nx)} :} En x=0x=0, par prolongement in(0)=1i_n(0) = 1. Pour x∈]0,π]x \in ]0, \pi], in(x)→0i_n(x) \to 0. La limite simple f=1{0}f = \mathbf{1}_{\{0\}} est discontinue. Pas de CVU sur [0,π][0, \pi]. Mais pour a>0a > 0, ∣in(x)∣≤11+na→0|i_n(x)| \leq \frac{1}{1+na} \to 0. CVU sur [a,π][a, \pi].

  6. Étude de jn(x)=sin⁡2(nx)nsin⁡xj_n(x) = \frac{\sin^2(nx){n\sin x} :} Limite simple nulle. Cependant jn(1/n)=sin⁡2(1)nsin⁡(1/n)→n→∞sin⁡2(1)≠0j_n(1/n) = \frac{\sin^2(1)}{n\sin(1/n)} \xrightarrow{n \to \infty} \sin^2(1) \neq 0. Pas de CVU sur ]0,π[]0, \pi[.

  7. Étude de kn(x)=sin⁡(n+1nx)k_n(x) = \sin\left(\frac{n+1{n}x\right) :} kn(x)=sin⁡(x+x/n)→sin⁡(x)k_n(x) = \sin(x + x/n) \to \sin(x). ∣kn(x)−sin⁡x∣=2∣sin⁡(x/2n)cos⁡(x+x/2n)∣≤2∣x/2n∣=∣x∣/n|k_n(x) - \sin x| = 2 |\sin(x/2n) \cos(x + x/2n)| \leq 2 |x/2n| = |x|/n. Sur un compact [a,b][a, b], ∣x∣/n≤max⁡(∣a∣,∣b∣)/n→0|x|/n \leq \max(|a|, |b|)/n \to 0. CVU sur tout compact.

Confondre convergence simple sur un intervalle ouvert et convergence uniforme.

La CVU sur tout compact n'implique pas la CVU sur le domaine non borné.