Soit f:R→R la fonction définie par f(x)=sin(x). On définit pour tout n∈N∗ la fonction fn comme l'itérée n-ième de f, c'est-à-dire :
fn=n foisf∘f∘⋯∘f
Étudier la convergence simple, puis la convergence uniforme sur R de la série de fonctions ∑n≥1(−1)n−1fn.
Déterminer l'ensemble des réels x tels que la série numérique ∑n≥1fn(x) soit convergente.
1.
Pour la question 1, commencer par étudier la suite (fn(x)) pour x∈[0,π/2]. Utiliser le critère spécial des séries alternées. Pour la convergence uniforme, majorer le reste par le premier terme négligé et montrer qu'il tend vers 0 indépendamment de x.
2.
Pour la question 2, si x∈/πZ, utiliser un développement asymptotique de fn+1 en fonction de fn pour trouver un équivalent de fn(x) (méthode de la recherche d'un exposant α tel que fn+1α−fnα converge vers une limite non nulle).
Idées clés
•
Suite récurrente de la forme un+1=sin(un).
•
Critère de Leibniz pour les séries alternées (CSSA) et majoration du reste.
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Développement asymptotique pour les suites récurrentes (méthode de l'exposant).
1. Étude de la série alternée.
Commençons par étudier la suite de fonctions (fn)n∈N∗.
La fonction sin est impaire, 2π-périodique et envoie R dans [−1,1]. De plus, pour tout x∈[0,1], on a 0≤sin(x)≤x.
Soit x∈R. Pour n≥1, on a fn(x)∈[−1,1].
Si f1(x)=sin(x)≥0, alors la suite (fn(x))n∈N∗ est positive, décroissante et minorée par 0. Elle converge donc vers un point fixe de sinus sur [0,1], à savoir 0.
Par imparité, si f1(x)<0, la suite (fn(x)) converge également vers 0 en étant négative et croissante.
∀x∈R,n→+∞limfn(x)=0
Pour x fixé, la suite (∣fn(x)∣)n≥1 est décroissante et tend vers 0.
D'après le critère spécial des séries alternées, la série numérique ∑(−1)n−1fn(x) converge.
On a donc la convergence simple sur R.
La seˊrie ∑(−1)n−1fn converge simplement sur R
Pour la convergence uniforme, notons Rn(x)=∑k=n+1+∞(−1)k−1fk(x) le reste d'ordre n.
Le CSSA nous donne la majoration suivante :
∀x∈R,∣Rn(x)∣≤∣fn+1(x)∣
Comme f1(R)=[−1,1], on a pour tout n≥2, fn(R)=fn−1([−1,1]).
Par croissance de sin sur [0,1] et par imparité :
x∈Rsup∣fn+1(x)∣=fn+1(π/2)(ou tout x tel que sin(x)=1)
Or, nous avons montré que pour tout x, fn(x)→0. En particulier fn(π/2)→0.
On en déduit :
∥Rn∥∞≤fn+1(π/2)n→+∞0
La seˊrie ∑(−1)n−1fn converge uniformeˊment sur R
2. Étude de la série à termes positifs.
Si x∈πZ, alors f1(x)=0, donc fn(x)=0 pour tout n. La série converge.
Supposons x∈/πZ. Alors ∣fn(x)∣>0 pour tout n et ∣fn(x)∣→0.
Cherchons un équivalent de un=∣fn(x)∣. On a un+1=sin(un).
On utilise le développement : sin(u)=u−6u3+o(u3).
Cherchons α tel que un+1α−unα ait une limite finie non nulle.