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On considère la série de fonctions ∑n≥1fn\sum_{n \ge 1} f_n définie sur R\mathbb{R} par :

fn(x)=e−(x−n)2nf_n(x) = \frac{e^{-(x-n)^{2}}}{n}

  1. Étudier la convergence normale de cette série sur R\mathbb{R}.
  2. Démontrer que la série converge uniformément sur R\mathbb{R}.

1.

Pour la convergence normale, trouver la valeur maximale de chaque fnf_n sur R\mathbb{R}.

2.

Pour la convergence uniforme, séparer la somme du reste RN(x)R_N(x) en deux parties suivant que nn est proche de xx ou non. On pourra aussi étudier le reste en fonction de la position de xx par rapport à NN.

Idées clés

•

Étude des variations pour la norme infinie.

•

Découpage de somme pour le contrôle du reste.

•

Localisation des "pics" de fonctions gaussiennes.

Résolution.

  1. Convergence normale : Pour tout n≥1n \ge 1, la fonction fnf_n est de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur R\mathbb{R}. Sa dérivée est :
    fn′(x)=−2(x−n)ne−(x−n)2f_n'(x) = -\frac{2(x-n)}{n} e^{-(x-n)^2}
    Le maximum est atteint en x=nx=n et vaut fn(n)=1nf_n(n) = \frac{1}{n}. Ainsi, ∥fn∥∞=1n\|f_n\|_\infty = \frac{1}{n}. La série harmonique ∑1n\sum \frac{1}{n} diverge.
    La seˊrie ne converge pas normalement sur R.\boxed{\text{La série ne converge pas normalement sur } \mathbb{R}.}

  2. Convergence uniforme : Soit RN(x)=∑n=N+1+∞e−(x−n)2nR_N(x) = \sum_{n=N+1}^{+\infty} \frac{e^{-(x-n)^2}}{n} le reste de la série. Cas 1 : x≤Nx \le N. Pour tout n≥N+1n \ge N+1, on a n−x≥n−N≥1n-x \ge n-N \ge 1. Comme t↦e−t2t \mapsto e^{-t^2} est décroissante sur [1,+∞[[1, +\infty[, on a e−(x−n)2≤e−(n−N)2e^{-(x-n)^2} \le e^{-(n-N)^2}. De plus, 1n≤1N+1\frac{1}{n} \le \frac{1}{N+1}. D'où :
    ∣RN(x)∣≤1N+1∑n=N+1+∞e−(n−N)2=1N+1∑k=1+∞e−k2|R_N(x)| \le \frac{1}{N+1} \sum_{n=N+1}^{+\infty} e^{-(n-N)^2} = \frac{1}{N+1} \sum_{k=1}^{+\infty} e^{-k^2}
    La série ∑e−k2\sum e^{-k^2} converge, donc cette partie tend vers 0 uniformément pour x∈]−∞,N]x \in ]-\infty, N]. Cas 2 : x>Nx > N. Notons n0=⌊x⌋n_0 = \lfloor x \rfloor. Si n0>Nn_0 > N, le terme n=n0n = n_0 appartient à la somme du reste.
    RN(x)=e−(x−n0)2n0+∑n>N,n≠n0e−(x−n)2nR_N(x) = \frac{e^{-(x-n_0)^2}}{n_0} + \sum_{n > N, n \neq n_0} \frac{e^{-(x-n)^2}}{n}
    Le premier terme est majoré par 1n0≤1N\frac{1}{n_0} \le \frac{1}{N}. Pour la somme restante, on utilise la décroissance de l'exponentielle loin de xx :
    ∑n>N,n≠n0e−(x−n)2n≤1N(∑n=N+1n0−1e−(x−n)2+∑n=n0+1+∞e−(x−n)2)\sum_{n > N, n \neq n_0} \frac{e^{-(x-n)^2}}{n} \le \frac{1}{N} \left( \sum_{n=N+1}^{n_0-1} e^{-(x-n)^2} + \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} e^{-(x-n)^2} \right)
    Par un changement d'indice et en utilisant ∣x−n∣≥∣n−n0∣−1|x-n| \ge |n-n_0|-1, on montre que cette somme est bornée par une constante indépendante de xx. Finalement, sup⁡x∈R∣RN(x)∣≤CN→N→∞0\sup_{x \in \mathbb{R}} |R_N(x)| \le \frac{C}{N} \xrightarrow{N \to \infty} 0.
    La seˊrie converge uniformeˊment sur R.\boxed{\text{La série converge uniformément sur } \mathbb{R}.}

La divergence de la série des normes infinies n'interdit pas la convergence uniforme.

Technique de découpage du reste pour les fonctions localisées (pics).