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Unicité des coefficients d'une série de Dirichlet

Soit (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de complexes et (λn)nN(\lambda_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite réelle strictement croissante tendant vers ++\infty. On suppose que la série f(x)=n=0+aneλnxf(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n e^{-\lambda_n x} converge pour tout x>Ax > A.

Montrer que si f(x)=0f(x) = 0 pour tout xx assez grand, alors pour tout nNn \in \mathbb{N}, an=0a_n = 0.

1.

Raisonner par l'absurde en supposant qu'il existe un premier indice n0n_0 tel que an00a_{n_0} \neq 0.

2.

Isoler le terme an0eλn0xa_{n_0} e^{-\lambda_{n_0} x} et étudier la limite de f(x)eλn0xf(x) e^{\lambda_{n_0} x} quand x+x \to +\infty.

Idées clés

Prépondérance du premier terme non nul pour les grandes valeurs de la variable.

Théorème de la limite par convergence uniforme (ou convergence dominée).

Résolution.

Supposons que la suite (an)(a_n) ne soit pas nulle. Comme l'ensemble des indices est une partie de N\mathbb{N}, il admet un plus petit élément n0n_0 tel que an00a_{n_0} \neq 0. On peut alors écrire pour x>Ax > A :

f(x)=an0eλn0x+n=n0+1+aneλnxf(x) = a_{n_0} e^{-\lambda_{n_0} x} + \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} a_n e^{-\lambda_n x}

Multiplions par eλn0xe^{\lambda_{n_0} x} :

f(x)eλn0x=an0+n=n0+1+ane(λnλn0)xf(x) e^{\lambda_{n_0} x} = a_{n_0} + \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} a_n e^{-(\lambda_n - \lambda_{n_0}) x}

Posons g(x)=n=n0+1+ane(λnλn0)xg(x) = \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} a_n e^{-(\lambda_n - \lambda_{n_0}) x}. C'est une série de Dirichlet associée à la suite de fréquences (μn)=(λnλn0)n>n0(\mu_n) = (\lambda_n - \lambda_{n_0})_{n > n_0}. Comme la série de départ converge en A+1A+1, la série définissant gg converge uniformément sur [A+1,+[[A+1, +\infty[ (d'après le théorème de convergence uniforme sur les intervalles de la forme [x0,+[[x_0, +\infty[).

On peut donc intervertir limite et somme :

limx+g(x)=n=n0+1+an(limx+e(λnλn0)x)\lim_{x \to +\infty} g(x) = \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} a_n \left( \lim_{x \to +\infty} e^{-(\lambda_n - \lambda_{n_0}) x} \right)

Puisque λnλn0>0\lambda_n - \lambda_{n_0} > 0 pour tout n>n0n > n_0, chaque limite individuelle est nulle. Ainsi :

limx+g(x)=0\lim_{x \to +\infty} g(x) = 0

Comme par hypothèse f(x)=0f(x) = 0 pour xx assez grand, on a :

0=limx+f(x)eλn0x=an0+00 = \lim_{x \to +\infty} f(x) e^{\lambda_{n_0} x} = a_{n_0} + 0

On en déduit an0=0\boxed{a_{n_0} = 0}, ce qui contredit notre définition de n0n_0.

Par conséquent, tous les coefficients sont nuls :

nN,an=0\boxed{ \forall n \in \mathbb{N}, a_n = 0 }

Justifier l'interversion limite-somme.

Le premier terme non nul domine à l'infini.