Soit la fonction définie par :
Pour la question 1, utiliser la définition du nombre dérivé en 0 (taux d'accroissement).
Pour la question 2, appliquer le théorème de dérivation terme à terme pour les séries de fonctions en vérifiant la convergence normale de la série des dérivées.
Pour la continuité de , isoler le terme de la série correspondant à une éventuelle discontinuité.
Dérivabilité par le taux d'accroissement en un point critique.
Théorème de dérivation des séries de fonctions (convergence uniforme de la série des dérivées).
Propriété de conservation de la continuité par convergence uniforme.
Résolution.
Rappelons que est dénombrable et infini, il existe donc bien une bijection de vers . Posons pour . Chaque est dérivable sur d'après la question précédente, et . Convergence de la série : On a sur . Ainsi, , ce qui assure la convergence normale (et donc simple) de sur . Convergence de la série des dérivées : On a vu que pour et . Sur l'intervalle d'étude, car . Ainsi, :
Continuité de : Soit . Pour tout , . Comme est continue sur , chaque fonction est continue en . Par convergence normale (donc uniforme) de la série de fonctions , la somme est continue en . Soit maintenant . On peut décomposer la somme :
Confusion entre convergence uniforme et continuité de la limite quand les termes sont discontinus.
La continuité de la somme d'une série uniformément convergente dépend de la continuité locale de chaque terme.