Soit la série de fonctions fn\sum f_n définie pour nNn \in \mathbb{N}^* par :

fn(x)=(1)n1enxnf_n(x) = \frac{(-1)^{n-1} e^{-n x}}{\sqrt{n}}

  1. Montrer que cette série converge simplement sur R+\mathbb{R}^{+}.
  2. Étudier la convergence normale de cette série sur R+\mathbb{R}^{+}.
  3. Établir la convergence uniforme de la série sur R+\mathbb{R}^{+}.

1.

Pour la convergence simple, distinguer le cas x=0x=0 et le cas x>0x > 0.

2.

Pour la convergence normale, calculer la norme infinie de chaque terme sur R+\mathbb{R}^{+}.

3.

Pour la convergence uniforme, utiliser le fait que pour chaque xx fixé, la série est alternée et vérifie les hypothèses du critère spécial. Majorer ensuite le reste indépendamment de xx.

Idées clés

Critère spécial des séries alternées (CSSA).

Majoration du reste d'une série alternée.

Lien entre norme infinie du reste et convergence uniforme.

Résolution.

  1. Convergence simple : Soit xR+x \in \mathbb{R}^{+}. Si x=0x = 0, fn(0)=(1)n1nf_n(0) = \frac{(-1)^{n-1}}{\sqrt{n}}. La série (1)n1n\sum \frac{(-1)^{n-1}}{\sqrt{n}} converge d'après le critère spécial des séries alternées (CSSA) car la suite (1/n)(1/\sqrt{n}) est positive, décroissante et tend vers 00. Si x>0x > 0, fn(x)=enxn|f_n(x)| = \frac{e^{-nx}}{\sqrt{n}}. Comme enxe^{-nx} est le terme général d'une série géométrique convergente, par comparaison, la série fn(x)\sum f_n(x) converge absolument.
    La seˊrie fn converge simplement sur R+.\boxed{\text{La série } \sum f_n \text{ converge simplement sur } \mathbb{R}^+.}

  2. Convergence normale : Pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, la fonction xfn(x)=enxnx \mapsto |f_n(x)| = \frac{e^{-nx}}{\sqrt{n}} est décroissante sur [0,+[[0, +\infty[. Son maximum est donc atteint en x=0x=0 :
    fn=fn(0)=1n\|f_n\|_{\infty} = |f_n(0)| = \frac{1}{\sqrt{n}}
    Or, la série de Riemann 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} diverge (puisque 1/211/2 \le 1).
    La seˊrie ne converge pas normalement sur R+.\boxed{\text{La série ne converge pas normalement sur } \mathbb{R}^+.}

  3. Convergence uniforme : Pour chaque xR+x \in \mathbb{R}^{+} fixé, la série fn(x)\sum f_n(x) est une série alternée. La suite (fn(x))n1=(enxn)n1(|f_n(x)|)_{n \ge 1} = \left(\frac{e^{-nx}}{\sqrt{n}}\right)_{n \ge 1} est bien positive, décroissante et de limite nulle. D'après le CSSA, le reste d'ordre NN, noté RN(x)=n=N+1+fn(x)R_N(x) = \sum_{n=N+1}^{+\infty} f_n(x), vérifie :
    RN(x)fN+1(x)=e(N+1)xN+1|R_N(x)| \le |f_{N+1}(x)| = \frac{e^{-(N+1)x}}{\sqrt{N+1}}
    Comme e(N+1)x1e^{-(N+1)x} \le 1 pour tout x0x \ge 0, on en déduit :
    supxR+RN(x)1N+1\sup_{x \in \mathbb{R}^+} |R_N(x)| \le \frac{1}{\sqrt{N+1}}
    Comme limN+1N+1=0\lim_{N \to +\infty} \frac{1}{\sqrt{N+1}} = 0, la suite des restes converge uniformément vers zéro.
    La seˊrie converge uniformeˊment sur R+.\boxed{\text{La série converge uniformément sur } \mathbb{R}^+.}

Confusion entre convergence normale et uniforme.

Majoration du reste d'une série alternée pour la convergence uniforme.