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Convergence uniforme d'une suite de fonctions logarithmiques

Pour chaque entier n∈N∗n \in \mathbb{N}^{*}, on définit la fonction unu_{n} sur l'intervalle [0,1][0, 1] par :

un(x)={xnln⁡(x)si x∈]0,1]0si x=0u_{n}(x) = \begin{cases} x^{n} \ln (x) & \text{si } x \in ]0, 1]
0 & \text{si } x = 0 \end{cases}

Étudier la convergence uniforme de la suite de fonctions (un)n≥1(u_{n})_{n \geq 1} sur l'intervalle [0,1][0, 1].

1.

Commencer par déterminer la limite simple de la suite (un)(u_n) sur [0,1][0, 1].

2.

Pour étudier la convergence uniforme, il est nécessaire de calculer la norme infinie ∥un−f∥∞\|u_n - f\|_\infty où ff est la limite simple.

3.

Utiliser les variations de la fonction unu_n pour déterminer son extremum sur [0,1][0, 1].

Idées clés

•

Étude de la convergence simple pour identifier la fonction limite.

•

Utilisation de la dérivation pour localiser le maximum de l'écart.

•

Caractérisation de la convergence uniforme par la limite de la norme supérieure.

Étape 1 : Convergence simple.

Soit x∈]0,1]x \in ]0, 1]. Comme ∣x∣≤1|x| \leq 1, la suite géométrique (xn)(x^n) converge. Plus précisément, si x∈]0,1[x \in ]0, 1[, alors xn→n→+∞0x^n \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0. Si x=1x = 1, alors un(1)=1nln⁡(1)=0u_n(1) = 1^n \ln(1) = 0.

Par croissance comparée, pour tout x∈]0,1[x \in ]0, 1[, on a :

lim⁡n→+∞xnln⁡(x)=0\lim_{n \to +\infty} x^n \ln(x) = 0

Enfin, par définition, un(0)=0u_n(0) = 0 pour tout n≥1n \geq 1. La suite de fonctions (un)(u_n) converge donc simplement vers la fonction nulle f:x↦0f : x \mapsto 0 sur [0,1][0, 1].

Étape 2 : Étude des variations pour la convergence uniforme.

Pour n≥1n \geq 1, la fonction unu_n est continue sur [0,1][0, 1] (car lim⁡x→0+xnln⁡x=0\lim_{x \to 0^+} x^n \ln x = 0). Elle est dérivable sur ]0,1]]0, 1] et on a :

∀x∈]0,1],un′(x)=nxn−1ln⁡(x)+xn⋅1x=xn−1(nln⁡(x)+1)\forall x \in ]0, 1],   u_n'(x) = n x^{n-1} \ln(x) + x^n \cdot \frac{1}{x} = x^{n-1} \left( n \ln(x) + 1 \right)

Cherchons le point d'annulation de la dérivée sur ]0,1]]0, 1] :

un′(x)=0  ⟺  nln⁡(x)+1=0  ⟺  ln⁡(x)=−1n  ⟺  x=e−1/nu_n'(x) = 0 \iff n \ln(x) + 1 = 0 \iff \ln(x) = -\frac{1}{n} \iff x = e^{-1/n}

La fonction unu_n est décroissante sur ]0,e−1/n]]0, e^{-1/n}] et croissante sur [e−1/n,1][e^{-1/n}, 1]. Le minimum global de unu_n sur [0,1][0, 1] est atteint en xn=e−1/nx_n = e^{-1/n}.

Étape 3 : Calcul de la norme infinie et conclusion.

L'écart maximal entre unu_n et sa limite nulle est donné par :

∥un−0∥∞=sup⁡x∈[0,1]∣un(x)∣=∣un(e−1/n)∣\|u_n - 0\|_\infty = \sup_{x \in [0, 1]} |u_n(x)| = |u_n(e^{-1/n})|

Calculons cette valeur :

∣un(e−1/n)∣=∣(e−1/n)nln⁡(e−1/n)∣=∣e−1⋅(−1n)∣=1ne|u_n(e^{-1/n})| = \left| (e^{-1/n})^n \ln(e^{-1/n}) \right| = \left| e^{-1} \cdot \left( -\frac{1}{n} \right) \right| = \frac{1}{ne}

On en déduit :

∥un∥∞=1ne\boxed{ \|u_n\|_\infty = \frac{1}{ne} }

Comme lim⁡n→+∞1ne=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{ne} = 0, nous pouvons conclure :

La suite (un) converge uniformeˊment vers la fonction nulle sur [0,1].\boxed{ \text{La suite } (u_n) \text{ converge uniformément vers la fonction nulle sur } [0, 1]. }

Vérifier la continuité en 0 par croissance comparée avant d'étudier l'extremum.

La convergence uniforme équivaut à la convergence vers 0 de la norme infinie de la différence.