On considère la fonction ff définie par :

f(x)=n=1+(1)nx+nf(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{x+n}

  1. Déterminer le domaine de définition de ff.
  2. Montrer que ff est de classe C\mathcal{C}^\infty sur ]1,+[]-1, +\infty[.
  3. Montrer que ff est développable en série entière au voisinage de 00. Quel est le rayon de convergence ?
  4. Déterminer un équivalent de ff en ++\infty.
  5. ff est-elle intégrable sur ]1,0[]-1, 0[ ?

1.

Utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence simple.

2.

Pour le DSE, utiliser la série géométrique pour chaque terme et justifier l'interversion.

3.

Pour l'équivalent en ++\infty, utiliser la relation f(x)+f(x+1)=1x+1f(x) + f(x+1) = -\frac{1}{x+1}.

Idées clés

CSSA pour la convergence simple et la majoration du reste.

Théorème de Fubini ou convergence normale pour le DSE.

Equation fonctionnelle pour le comportement asymptotique.

Résolution.

  1. Pour xx fixé, 1n+x\frac{1}{n+x} décroit vers 0 dès que n>xn > -x. Par CSSA, la série converge. \boxed{D = \mathbb{R} \setminus \mathbb{Z}_-^*}. Sur ]1,+[]-1, +\infty[, elle est bien définie.

  2. un(k)(x)=(1)n+kk!(x+n)k+1u_n^{(k)}(x) = \frac{(-1)^{n+k} k!}{(x+n)^{k+1}}. Pour k1k \geq 1 et x>a>1x > a > -1, un(k)(x)k!(n+a)k+1|u_n^{(k)}(x)| \leq \frac{k!}{(n+a)^{k+1}}. C'est le terme d'une série de Riemann convergente (k+12k+1 \geq 2). Par convergence normale des séries dérivées, ff est \boxed{\mathcal{C}^\infty}.

  3. Pour x<1|x| < 1 : (1)nn+x=(1)nn11+x/n=k=0+(1)n+knk+1xk\frac{(-1)^n}{n+x} = \frac{(-1)^n}{n} \frac{1}{1+x/n} = \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{(-1)^{n+k}}{n^{k+1}} x^k. L'interversion est licite car nkan,kxk\sum_n \sum_k |a_{n,k} x^k| converge pour x<1|x|<1.
    f(x)=k=0+(n=1+(1)n+knk+1)xkf(x) = \sum_{k=0}^{+\infty} \left( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n+k}}{n^{k+1}} \right) x^k
    Le rayon de convergence est \boxed{R=1} (à cause de la singularité en 1-1).

  4. On a f(x)+f(x+1)=n=1(1)nn+x+n=1(1)nn+x+1=11+x+n=2(1)nn+xm=2(1)m1m+x=11+xf(x) + f(x+1) = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n+x} + \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n+x+1} = \frac{-1}{1+x} + \sum_{n=2}^\infty \frac{(-1)^n}{n+x} - \sum_{m=2}^\infty \frac{(-1)^{m-1}}{m+x} = -\frac{1}{1+x}. Comme f(x)f(x+1)f(x) \sim f(x+1) car f(x)0f'(x) \to 0, on a 2f(x)1x2f(x) \sim -\frac{1}{x}. D'où \boxed{f(x) \sim -\frac{1}{2x}}.

  5. f(x)=1x+1+n=2(1)nn+xf(x) = \frac{-1}{x+1} + \sum_{n=2}^\infty \frac{(-1)^n}{n+x}. La série reste converge uniformément près de 1-1. La somme est donc f(x)=1x+1+g(x)f(x) = \frac{-1}{x+1} + g(x) avec gg continue en 1-1. L'intégrale de 1x+1\frac{1}{x+1} diverge en 1-1, donc ff \boxed{\text{n'est pas intégrable sur } ]-1, 0[}.

Absence de convergence absolue

Majoration du reste CSSA pour la convergence uniforme