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Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite définie par :

un=01xnsin(πx)dxu_n = \int_0^1 x^n \sin(\pi x)   dx

  1. Démontrer que la série un\sum u_n est convergente.
  2. Établir l'égalité suivante :
    n=0+un=0πsinxxdx\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = \int_0^\pi \frac{\sin x}{x}   dx

1.

On pourra étudier la limite des sommes partielles en utilisant une expression intégrale.

2.

Utiliser le théorème de convergence dominée sur la suite des sommes partielles SN(x)=n=0Nxnsin(πx)S_N(x) = \sum_{n=0}^N x^n \sin(\pi x).

3.

Effectuer un changement de variable affine pour faire apparaître l'intégrale du sinus cardinal.

Idées clés

Sommation d'une progression géométrique sous l'intégrale.

Théorème de convergence dominée (TCD).

Changement de variable dans une intégrale à paramètre.

Résolution.

  1. Convergence de la série. Soit NNN \in \mathbb{N}. Considérons la somme partielle SN=n=0NunS_N = \sum_{n=0}^N u_n. Par linéarité de l'intégrale :
    SN=01(n=0Nxn)sin(πx)dx=011xN+11xsin(πx)dxS_N = \int_0^1 \left( \sum_{n=0}^N x^n \right) \sin(\pi x)   dx = \int_0^1 \frac{1 - x^{N+1}}{1 - x} \sin(\pi x)   dx
    Posons fN(x)=1xN+11xsin(πx)f_N(x) = \frac{1 - x^{N+1}}{1 - x} \sin(\pi x) pour x[0,1[x \in [0, 1[. La suite de fonctions (fN)(f_N) converge simplement sur [0,1[[0, 1[ vers :
    f(x)=sin(πx)1xf(x) = \frac{\sin(\pi x)}{1 - x}
  2. Calcul de la somme. Appliquons le théorème de convergence dominée à la suite (fN)(f_N) sur [0,1[[0, 1[. Hypothèse 1 : Chaque fNf_N est continue et intégrable sur [0,1[[0, 1[. Hypothèse 2 : Convergence simple vers ff qui est continue sur [0,1[[0, 1[. Hypothèse 3 (Domination) : Pour tout x[0,1[x \in [0, 1[, fN(x)sin(πx)1x|f_N(x)| \leqslant \frac{\sin(\pi x)}{1 - x} car 01xN+110 \leqslant 1-x^{N+1} \leqslant 1. La fonction ff est intégrable sur [0,1[[0, 1[. En effet, en x=1x=1, en posant h=1xh = 1-x :
    f(1h)=sin(ππh)h=sin(πh)hh0πf(1-h) = \frac{\sin(\pi - \pi h)}{h} = \frac{\sin(\pi h)}{h} \xrightarrow[h \to 0]{} \pi
    Ainsi, par le TCD, la limite des intégrales est l'intégrale de la limite :
    n=0+un=01sin(πx)1xdx\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = \int_0^1 \frac{\sin(\pi x)}{1 - x}   dx
    Effectuons le changement de variable t=π(1x)t = \pi(1 - x), d'où dt=πdxdt = -\pi dx. Lorsque x=0x=0, t=πt=\pi. Lorsque x=1x=1, t=0t=0.
    01sin(πx)1xdx=π0sin(πt)t/π(dtπ)=0πsinttdt\int_0^1 \frac{\sin(\pi x)}{1 - x}   dx = \int_{\pi}^0 \frac{\sin(\pi - t)}{t/\pi} \left( -\frac{dt}{\pi} \right) = \int_0^\pi \frac{\sin t}{t}   dt
    n=0+un=0πsinttdt\boxed{ \sum_{n=0}^{+\infty} u_n = \int_0^\pi \frac{\sin t}{t}   dt }

Justification rigoureuse de la domination pour la convergence de la série.

L'utilisation du TCD sur les sommes partielles pour justifier l'interversion série-intégrale.