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Soit f:RRf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} la fonction définie par f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x). On définit pour tout nNn \in \mathbb{N}^* la fonction fnf_n comme l'itérée nn-ième de ff, c'est-à-dire :

fn=fffn foisf_n = \underbrace{f \circ f \circ \dots \circ f}_{n \text{ fois}}

  1. Étudier la convergence simple, puis la convergence uniforme sur R\mathbb{R} de la série de fonctions n1(1)n1fn\sum_{n \ge 1} (-1)^{n-1} f_n.
  2. Déterminer l'ensemble des réels xx tels que la série numérique n1fn(x)\sum_{n \ge 1} f_n(x) soit convergente.

1.

Pour la question 1, commencer par étudier la suite (fn(x))(f_n(x)) pour x[0,π/2]x \in [0, \pi/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 xx.

2.

Pour la question 2, si xπZx \notin \pi\mathbb{Z}, utiliser un développement asymptotique de fn+1f_{n+1} en fonction de fnf_n pour trouver un équivalent de fn(x)f_n(x) (méthode de la recherche d'un exposant α\alpha tel que fn+1αfnαf_{n+1}^\alpha - f_n^\alpha converge vers une limite non nulle).

Idées clés

Suite récurrente de la forme un+1=sin(un)u_{n+1} = \sin(u_n).

Critère de Leibniz pour les séries alternées (CSSA) et majoration du reste.

Développement asymptotique pour les suites récurrentes (méthode de l'exposant).

1. Étude de la série alternée.

Commençons par étudier la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}^*}. La fonction sin\sin est impaire, 2π2\pi-périodique et envoie R\mathbb{R} dans [1,1][-1, 1]. De plus, pour tout x[0,1]x \in [0, 1], on a 0sin(x)x0 \le \sin(x) \le x.

Soit xRx \in \mathbb{R}. Pour n1n \ge 1, on a fn(x)[1,1]f_n(x) \in [-1, 1]. Si f1(x)=sin(x)0f_1(x) = \sin(x) \ge 0, alors la suite (fn(x))nN(f_n(x))_{n \in \mathbb{N}^*} est positive, décroissante et minorée par 0. Elle converge donc vers un point fixe de sinus sur [0,1][0, 1], à savoir 0. Par imparité, si f1(x)<0f_1(x) < 0, la suite (fn(x))(f_n(x)) converge également vers 0 en étant négative et croissante.

xR,limn+fn(x)=0\forall x \in \mathbb{R},   \lim_{n \to +\infty} f_n(x) = 0

Pour xx fixé, la suite (fn(x))n1(|f_n(x)|)_{n \ge 1} est décroissante et tend vers 0. D'après le critère spécial des séries alternées, la série numérique (1)n1fn(x)\sum (-1)^{n-1} f_n(x) converge. On a donc la convergence simple sur R\mathbb{R}.

La seˊrie (1)n1fn converge simplement sur R\boxed{\text{La série } \sum (-1)^{n-1} f_n \text{ converge simplement sur } \mathbb{R}}

Pour la convergence uniforme, notons Rn(x)=k=n+1+(1)k1fk(x)R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-1)^{k-1} f_k(x) le reste d'ordre nn. Le CSSA nous donne la majoration suivante :

xR,Rn(x)fn+1(x)\forall x \in \mathbb{R},   |R_n(x)| \le |f_{n+1}(x)|

Comme f1(R)=[1,1]f_1(\mathbb{R}) = [-1, 1], on a pour tout n2n \ge 2, fn(R)=fn1([1,1])f_n(\mathbb{R}) = f_{n-1}([-1, 1]). Par croissance de sin\sin sur [0,1][0, 1] et par imparité :

supxRfn+1(x)=fn+1(π/2)(ou tout x tel que sin(x)=1)\sup_{x \in \mathbb{R}} |f_{n+1}(x)| = f_{n+1}(\pi/2)   (\text{ou tout } x \text{ tel que } \sin(x)=1)

Or, nous avons montré que pour tout xx, fn(x)0f_n(x) \to 0. En particulier fn(π/2)0f_n(\pi/2) \to 0. On en déduit :

Rnfn+1(π/2)n+0\|R_n\|_\infty \le f_{n+1}(\pi/2) \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0

La seˊrie (1)n1fn converge uniformeˊment sur R\boxed{\text{La série } \sum (-1)^{n-1} f_n \text{ converge uniformément sur } \mathbb{R}}

2. Étude de la série à termes positifs.

Si xπZx \in \pi\mathbb{Z}, alors f1(x)=0f_1(x) = 0, donc fn(x)=0f_n(x) = 0 pour tout nn. La série converge.

Supposons xπZx \notin \pi\mathbb{Z}. Alors fn(x)>0|f_n(x)| > 0 pour tout nn et fn(x)0|f_n(x)| \to 0. Cherchons un équivalent de un=fn(x)u_n = |f_n(x)|. On a un+1=sin(un)u_{n+1} = \sin(u_n). On utilise le développement : sin(u)=uu36+o(u3)\sin(u) = u - \frac{u^3}{6} + o(u^3).

Cherchons α\alpha tel que un+1αunαu_{n+1}^\alpha - u_n^\alpha ait une limite finie non nulle.

un+12un2=(unun36+o(un3))2un2u_{n+1}^{-2} - u_n^{-2} = \left( u_n - \frac{u_n^3}{6} + o(u_n^3) \right)^{-2} - u_n^{-2}
un+12un2=un2(1un26+o(un2))2un2u_{n+1}^{-2} - u_n^{-2} = u_n^{-2} \left( 1 - \frac{u_n^2}{6} + o(u_n^2) \right)^{-2} - u_n^{-2}
un+12un2=un2(1+un23+o(un2))un2=13+o(1)u_{n+1}^{-2} - u_n^{-2} = u_n^{-2} \left( 1 + \frac{u_n^2}{3} + o(u_n^2) \right) - u_n^{-2} = \frac{1}{3} + o(1)

D'après le théorème de l'équivalent des sommes de Cauchy (ou lemme de Cesàro) :

un2=k=0n1(uk+12uk2)+u02n3u_n^{-2} = \sum_{k=0}^{n-1} (u_{k+1}^{-2} - u_k^{-2}) + u_0^{-2} \sim \frac{n}{3}
On en déduit :
fn(x)3n|f_n(x)| \sim \sqrt{\frac{3}{n}}

La série 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} est une série de Riemann divergente. Par comparaison de séries à termes positifs, fn(x)\sum |f_n(x)| diverge.

La seˊrie fn(x) converge si et seulement si xπZ\boxed{\text{La série } \sum f_n(x) \text{ converge si et seulement si } x \in \pi\mathbb{Z}}

Confondre convergence uniforme et convergence normale.

Méthode de l'exposant pour les équivalents de suites récurrentes u_{n+1}=f(u_n).