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On considère la fonction SS définie par la série de fonctions suivante :

S(x)=n=1+(1)n1enxnS(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n-1} e^{-nx}}{n}

  1. Déterminer le domaine de définition de la fonction SS.
  2. Démontrer que SS est continue sur son ensemble de définition.
  3. Établir que SS est de classe C1\mathcal{C}^1 sur ]0,+[]0, +\infty[.
  4. En déduire une expression explicite de S(x)S(x) pour tout x0x \geq 0.

1.

Pour la continuité en 00, utiliser le critère spécial des séries alternées pour obtenir une majoration uniforme du reste.

2.

Pour le caractère C1\mathcal{C}^1, étudier la convergence normale de la série des dérivées sur tout intervalle de la forme [a,+[[a, +\infty[ avec a>0a > 0.

3.

Identifier la dérivée S(x)S'(x) comme une série géométrique.

Idées clés

Critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence uniforme.

Convergence normale de la série des dérivées pour la régularité C1\mathcal{C}^1.

Intégration de la somme d'une série géométrique.

1. Domaine de définition.

Soit xRx \in \mathbb{R}. Posons fn(x)=(1)n1enxnf_n(x) = \frac{(-1)^{n-1} e^{-nx}}{n}.

Cas x<0x < 0 : La suite (fn(x))(|f_n(x)|) tend vers ++\infty, donc la série diverge grossièrement.

Cas x=0x = 0 : S(0)=n=1+(1)n1nS(0) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n}. Il s'agit de la série harmonique alternée qui converge d'après le critère spécial des séries alternées.

Cas x>0x > 0 : On a fn(x)enx|f_n(x)| \leq e^{-nx}. Comme ex]0,1[e^{-x} \in ]0, 1[, la série converge absolument par comparaison avec une série géométrique convergente.

DS=[0,+[\boxed{ \mathcal{D}_S = [0, +\infty[ }

2. Continuité de SS.

Pour tout x0x \geq 0 fixé, la suite (enxn)n1(\frac{e^{-nx}}{n})_{n \geq 1} est décroissante et tend vers 00.

D'après le critère spécial des séries alternées, le reste d'ordre nn, noté Rn(x)R_n(x), vérifie :

x[0,+[,Rn(x)fn+1(x)=e(n+1)xn+1\forall x \in [0, +\infty[,   |R_n(x)| \leq |f_{n+1}(x)| = \frac{e^{-(n+1)x}}{n+1}

On en déduit la majoration uniforme suivante :

supx[0,+[Rn(x)1n+1\sup_{x \in [0, +\infty[} |R_n(x)| \leq \frac{1}{n+1}

Comme 1n+1n+0\frac{1}{n+1} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0, la série de fonctions fn\sum f_n converge uniformément sur [0,+[[0, +\infty[.

Chaque fonction fnf_n étant continue sur [0,+[[0, +\infty[, la somme SS est continue sur cet intervalle.

SC0([0,+[,R)\boxed{ S \in \mathcal{C}^0([0, +\infty[, \mathbb{R}) }

3. Caractère C1\mathcal{C^1 sur ]0,+[]0, +\infty[.}

Les fonctions fnf_n sont de classe C1\mathcal{C}^1 sur ]0,+[]0, +\infty[ et :

fn(x)=(1)nenx=(ex)nf_n'(x) = (-1)^n e^{-nx} = (-e^{-x})^n

Soit a>0a > 0. Pour tout x[a,+[x \in [a, +\infty[, on a fn(x)ena|f_n'(x)| \leq e^{-na}.

La série (ea)n\sum (e^{-a})^n est une série géométrique convergente car 0<ea<10 < e^{-a} < 1.

Ainsi, la série fn\sum f_n' converge normalement, donc uniformément, sur tout intervalle [a,+[]0,+[[a, +\infty[ \subset ]0, +\infty[.

Par théorème de dérivation des séries de fonctions, SS est de classe C1\mathcal{C}^1 sur ]0,+[]0, +\infty[ et :

x>0,S(x)=n=1+(ex)n\forall x > 0,   S'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-e^{-x})^n

4. Calcul explicite de SS.

Pour x>0x > 0, la dérivée est la somme d'une série géométrique de premier terme ex-e^{-x} et de raison ex-e^{-x} :

S(x)=ex1(ex)=ex1+exS'(x) = \frac{-e^{-x}}{1 - (-e^{-x})} = \frac{-e^{-x}}{1 + e^{-x}}

En intégrant cette expression, il existe une constante CRC \in \mathbb{R} telle que :

S(x)=ln(1+ex)+CS(x) = \ln(1 + e^{-x}) + C

Pour déterminer CC, on utilise la limite en ++\infty. Par convergence normale de fn\sum f_n sur [1,+[[1, +\infty[, on a limx+S(x)=n=1+0=0\lim_{x \to +\infty} S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} 0 = 0.

Or limx+ln(1+ex)=ln(1)=0\lim_{x \to +\infty} \ln(1 + e^{-x}) = \ln(1) = 0, donc C=0C = 0.

Par continuité de SS en 00, on a également S(0)=ln(1+e0)=ln(2)S(0) = \ln(1+e^0) = \ln(2), ce qui est cohérent avec la valeur connue de la série harmonique alternée.

x0,S(x)=ln(1+ex)\boxed{ \forall x \geq 0,   S(x) = \ln(1 + e^{-x}) }

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.