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Pour tout réel x>0x > 0, on définit la suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} par :

fn(x)=∏k=0n1x+kf_n(x) = \prod_{k=0}^{n} \frac{1}{x+k}

On considère alors la fonction SS définie par la série :

S(x)=∑n=0+∞fn(x)S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} f_n(x)

  1. Montrer que la fonction SS est bien définie et qu'elle est continue sur l'intervalle ]0,+∞[]0, +\infty[.
  2. Établir une équation fonctionnelle reliant S(x)S(x) à S(x+1)S(x+1) pour tout x>0x > 0.
  3. Rechercher un équivalent de SS au voisinage de +∞+\infty.
  4. Calculer la valeur de S(1)S(1), puis en déduire un équivalent de SS au voisinage de 0+0^+.

1.

Pour la continuité, étudier la convergence normale sur tout intervalle de la forme [a,+∞[[a, +\infty[ avec a>0a > 0.

2.

Pour l'équation fonctionnelle, mettre le premier terme 1/x1/x en évidence et factoriser le reste.

3.

Utiliser la convergence uniforme pour obtenir la limite en +∞+\infty.

4.

Pour le voisinage de 00, utiliser la continuité de SS en 11 et l'équation fonctionnelle.

Idées clés

•

Convergence normale pour la continuité sur un intervalle ouvert.

•

Manipulation de sommes infinies (décalage d'indice).

•

Passage à la limite sous le signe somme.

Résolution.

  1. Existence et continuité. Soit x∈]0,+∞[x \in ]0, +\infty[. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on a :
    0<fn(x)=1x(x+1)…(x+n)≤1x⋅n!0 < f_n(x) = \frac{1}{x(x+1)\dots(x+n)} \leq \frac{1}{x \cdot n!}
    La série numérique ∑1n!\sum \frac{1}{n!} converge (sa somme est ee). Par comparaison, la série définissant S(x)S(x) converge absolument pour tout x>0x > 0. Soit a>0a > 0. Pour tout x∈[a,+∞[x \in [a, +\infty[, on a la majoration :
    ∣fn(x)∣≤1a⋅n!|f_n(x)| \leq \frac{1}{a \cdot n!}
    Comme le terme de droite est le terme général d'une série convergente indépendant de xx, la série de fonctions ∑fn\sum f_n converge normalement sur [a,+∞[[a, +\infty[. Chaque fonction fnf_n est continue sur ]0,+∞[]0, +\infty[. Par convergence normale (donc uniforme) sur tout segment inclus dans ]0,+∞[]0, +\infty[, on en déduit :
    S est continue sur ]0,+∞[\boxed{ S \text{ est continue sur } ]0, +\infty[ }

  2. Équation fonctionnelle. Pour x>0x > 0, isolons le premier terme de la somme (n=0n=0) :
    S(x)=1x+∑n=1+∞1x(x+1)…(x+n)S(x) = \frac{1}{x} + \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{x(x+1)\dots(x+n)}
    On factorise par 1x\frac{1}{x} dans la somme :
    S(x)=1x(1+∑n=1+∞1(x+1)…(x+n))S(x) = \frac{1}{x} \left( 1 + \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{(x+1)\dots(x+n)} \right)
    Effectuons le changement d'indice m=n−1m = n-1 dans la somme :
    S(x)=1x(1+∑m=0+∞1(x+1)…(x+1+m))S(x) = \frac{1}{x} \left( 1 + \sum_{m=0}^{+\infty} \frac{1}{(x+1)\dots(x+1+m)} \right)
    On reconnaît l'expression de S(x+1)S(x+1) dans la parenthèse. On obtient donc :
    S(x)=1+S(x+1)x\boxed{ S(x) = \frac{1 + S(x+1)}{x} }

  3. Équivalent en +∞+\infty. Puisque la série converge uniformément sur [1,+∞[[1, +\infty[, on peut intervertir limite et somme :
    lim⁡x→+∞S(x)=∑n=0+∞lim⁡x→+∞fn(x)\lim_{x \to +\infty} S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \lim_{x \to +\infty} f_n(x)
    Comme chaque fn(x)→x→+∞0f_n(x) \xrightarrow[x \to +\infty]{} 0, on a lim⁡x→+∞S(x)=0\lim_{x \to +\infty} S(x) = 0. En utilisant l'équation fonctionnelle :
    xS(x)=1+S(x+1)x S(x) = 1 + S(x+1)
    Puisque S(x+1)→x→+∞0S(x+1) \xrightarrow[x \to +\infty]{} 0, il vient xS(x)→x→+∞1x S(x) \xrightarrow[x \to +\infty]{} 1.
    S(x)∼x→+∞1x\boxed{ S(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{1}{x} }

  4. Équivalent en 0+0^+. Calculons d'abord S(1)S(1) :
    S(1)=∑n=0+∞11⋅2⋅⋯⋅(n+1)=∑n=0+∞1(n+1)!S(1) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{1 \cdot 2 \cdot \dots \cdot (n+1)} = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{(n+1)!}
    Par décalage d'indice k=n+1k = n+1, on obtient :
    S(1)=∑k=1+∞1k!=(∑k=0+∞1k!)−1=e−1S(1) = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k!} = \left( \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{1}{k!} \right) - 1 = e - 1
    D'après la question 1, SS est continue en 11, donc lim⁡x→0+S(x+1)=S(1)=e−1\lim_{x \to 0^+} S(x+1) = S(1) = e - 1. En utilisant à nouveau xS(x)=1+S(x+1)x S(x) = 1 + S(x+1), on a :
    lim⁡x→0+xS(x)=1+(e−1)=e\lim_{x \to 0^+} x S(x) = 1 + (e - 1) = e
    On en conclut l'équivalent :
    S(x)∼x→0+ex\boxed{ S(x) \underset{x \to 0^+}{\sim} \frac{e}{x} }

Convergence normale non globale sur l'intervalle ouvert

Équations fonctionnelles pour les développements asymptotiques