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On considère les deux fonctions suivantes définies par des séries :

gα(x)=n=1+enx2nα(αR)eth(x)=n=1+enx1+n2g_{\alpha}(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{e^{-n x^{2}}}{n^{\alpha}}   (\alpha \in \mathbb{R})    \text{et}    h(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{e^{-n x}}{1+n^{2}}

  1. Pour gαg_\alpha :
    1. Déterminer son domaine de définition en fonction de α\alpha.
    2. Étudier sa continuité et sa dérivabilité sur ]0,+[]0, +\infty[.
  2. Pour hh :
    1. Montrer que hh est de classe C2\mathcal{C}^2 sur ]0,+[]0, +\infty[.
    2. Établir une équation différentielle linéaire du second ordre vérifiée par hh sur ]0,+[]0, +\infty[, dont le second membre sera une fonction usuelle simple.

1.

Pour gαg_\alpha, séparer le cas x=0x=0 du cas x>0x > 0. Sur ]0,+[]0, +\infty[, la convergence est très rapide.

2.

Pour la dérivabilité, utiliser le théorème de dérivation sous le signe somme en vérifiant la convergence normale de la série des dérivées sur tout segment [a,b]R+[a, b] \subset \mathbb{R}_+^*.

3.

Pour l'équation différentielle, calculer h(x)+h(x)h''(x) + h(x) et reconnaître une série géométrique.

Idées clés

Théorème de classe Ck\mathcal{C}^k pour les séries de fonctions.

Convergence normale locale sur ]0,+[]0, +\infty[.

Sommation de séries géométriques.

Résolution.

  1. Étude de gαg_\alpha.
    1. Domaine de définition. Si x>0x > 0, alors enx2=(ex2)ne^{-nx^2} = (e^{-x^2})^n est le terme général d'une série géométrique convergente. Donc gα(x)g_\alpha(x) existe pour tout αR\alpha \in \mathbb{R}. Si x=0x = 0, gα(0)=n=1+1nαg_\alpha(0) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^\alpha}, qui converge si et seulement si α>1\alpha > 1 (série de Riemann). Si x<0x < 0, le terme général tend vers ++\infty, donc la série diverge.
      Dgα={]0,+[si α1[0,+[si α>1\boxed{D_{g_\alpha} = \begin{cases} ]0, +\infty[ & \text{si } \alpha \le 1
      [0, +\infty[ & \text{si } \alpha > 1 \end{cases}}

    2. Régularité sur ]0,+[]0, +\infty[. Soit [a,b]]0,+[[a, b] \subset ]0, +\infty[. On a pour tout x[a,b]x \in [a, b] :
      un(x)=enx2nαena2nα|u_n(x)| = \left| \frac{e^{-nx^2}}{n^\alpha} \right| \le \frac{e^{-na^2}}{n^\alpha}
      C'est le terme d'une série numérique convergente, donc il y a convergence normale sur tout segment. gαg_\alpha est donc continue sur ]0,+[]0, +\infty[. Dérivons le terme général : un(x)=2nxenx2nα=2xn1αenx2u_n'(x) = -2nx \frac{e^{-nx^2}}{n^\alpha} = -2x n^{1-\alpha} e^{-nx^2}. Pour x[a,b]x \in [a, b], un(x)2bn1αena2|u_n'(x)| \le 2b n^{1-\alpha} e^{-na^2}. Par croissance comparée, 2bn1αena2=o(1/n2)2b n^{1-\alpha} e^{-na^2} = o(1/n^2), donc la série des dérivées converge normalement sur tout segment.
      gα est de classe C1 sur ]0,+[\boxed{g_\alpha \text{ est de classe } \mathcal{C}^1 \text{ sur } ]0, +\infty[}

  2. Étude de hh.
    1. Classe C2\mathcal{C^2.} Le terme général est vn(x)=enx1+n2v_n(x) = \frac{e^{-nx}}{1+n^2}. vn(x)=nenx1+n2v_n'(x) = \frac{-ne^{-nx}}{1+n^2} et vn(x)=n2enx1+n2v_n''(x) = \frac{n^2e^{-nx}}{1+n^2}. Sur tout segment [a,b]]0,+[[a, b] \subset ]0, +\infty[, on a vn(x)ena|v_n''(x)| \le e^{-na}. Comme ena\sum e^{-na} converge, il y a convergence normale de la série des dérivées secondes sur tout segment.
      h est de classe C2 sur ]0,+[\boxed{h \text{ est de classe } \mathcal{C}^2 \text{ sur } ]0, +\infty[}

    2. Équation différentielle. Calculons h(x)+h(x)h''(x) + h(x) pour x>0x > 0 :
      h(x)+h(x)=n=1+n2enx1+n2+n=1+enx1+n2h''(x) + h(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{n^2 e^{-nx}}{1+n^2} + \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{e^{-nx}}{1+n^2}
      h(x)+h(x)=n=1+n2+11+n2enx=n=1+(ex)nh''(x) + h(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{n^2+1}{1+n^2} e^{-nx} = \sum_{n=1}^{+\infty} (e^{-x})^n
      On reconnaît une série géométrique de raison q=exq = e^{-x}. Comme x>0x > 0, q<1|q| < 1 :
      n=1+(ex)n=ex1ex=1ex1\sum_{n=1}^{+\infty} (e^{-x})^n = \frac{e^{-x}}{1-e^{-x}} = \frac{1}{e^x - 1}
      hh est donc solution de l'équation différentielle :
      y+y=1ex1\boxed{y'' + y = \frac{1}{e^x - 1}}

Bien vérifier l'indice de départ (n=0 ou n=1) pour la somme géométrique.

La régularité locale s'obtient par convergence normale sur tout segment.