On considère la fonction définie par la série de fonctions suivante :
Pour la continuité en , utiliser le critère spécial des séries alternées pour obtenir une majoration uniforme du reste.
Pour le caractère , étudier la convergence normale de la série des dérivées sur tout intervalle de la forme avec .
Identifier la dérivée comme une série géométrique.
Critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence uniforme.
Convergence normale de la série des dérivées pour la régularité .
Intégration de la somme d'une série géométrique.
1. Domaine de définition.
Soit . Posons .
Cas : La suite tend vers , donc la série diverge grossièrement.
Cas : . Il s'agit de la série harmonique alternée qui converge d'après le critère spécial des séries alternées.
Cas : On a . Comme , la série converge absolument par comparaison avec une série géométrique convergente.
2. Continuité de .
Pour tout fixé, la suite est décroissante et tend vers .
D'après le critère spécial des séries alternées, le reste d'ordre , noté , vérifie :
On en déduit la majoration uniforme suivante :
Comme , la série de fonctions converge uniformément sur .
Chaque fonction étant continue sur , la somme est continue sur cet intervalle.
3. Caractère ^1 sur .}
Les fonctions sont de classe sur et :
Soit . Pour tout , on a .
La série est une série géométrique convergente car .
Ainsi, la série converge normalement, donc uniformément, sur tout intervalle .
Par théorème de dérivation des séries de fonctions, est de classe sur et :
4. Calcul explicite de .
Pour , la dérivée est la somme d'une série géométrique de premier terme et de raison :
En intégrant cette expression, il existe une constante telle que :
Pour déterminer , on utilise la limite en . Par convergence normale de sur , on a .
Or , donc .
Par continuité de en , on a également , ce qui est cohérent avec la valeur connue de la série harmonique alternée.
Vouloir utiliser la convergence normale sur [0, +inf[ alors qu'elle n'y est pas réalisée.
La majoration du reste des séries alternées pour prouver la convergence uniforme.