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On considère la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} définies sur R+\mathbb{R}_+ par :

fn(x)=xn(1+x)(1+x2)(1+xn)pour nNf_n(x) = \frac{x^n}{(1+x)(1+x^2)\cdots(1+x^n)}   \text{pour } n \in \mathbb{N}^*
et on pose f0(x)=1f_0(x) = 1.

Étudier la convergence simple, puis la convergence uniforme de la série de fonctions fn\sum f_n sur R+\mathbb{R}_+.

1.

Introduire la suite de fonctions auxiliaire gn(x)=1k=1n(1+xk)g_n(x) = \frac{1}{\prod_{k=1}^n (1+x^k)}.

2.

Exprimer fnf_n comme une différence de deux termes consécutifs de la suite (gn)(g_n).

3.

Pour la convergence uniforme, étudier la continuité de la fonction limite et utiliser le théorème de Dini ou des majorations directes par morceaux.

Idées clés

Transformation d'une série en suite par télescopage.

Étude de la convergence d'un produit infini via le passage au logarithme.

Utilisation de la continuité pour établir la convergence uniforme sur un intervalle non borné.

1. Étude de la convergence simple.

Posons, pour tout nNn \in \mathbb{N}^* et tout xR+x \in \mathbb{R}_+ :

gn(x)=1k=1n(1+xk)etg0(x)=1g_n(x) = \frac{1}{\prod_{k=1}^n (1+x^k)}   \text{et}   g_0(x) = 1

On remarque que pour tout nNn \in \mathbb{N}^* :

gn1(x)gn(x)=1k=1n1(1+xk)1k=1n(1+xk)=(1+xn)1k=1n(1+xk)=xnk=1n(1+xk)g_{n-1}(x) - g_n(x) = \frac{1}{\prod_{k=1}^{n-1} (1+x^k)} - \frac{1}{\prod_{k=1}^{n} (1+x^k)} = \frac{(1+x^n) - 1}{\prod_{k=1}^n (1+x^k)} = \frac{x^n}{\prod_{k=1}^n (1+x^k)}

On identifie ainsi fn(x)=gn1(x)gn(x)f_n(x) = g_{n-1}(x) - g_n(x) pour n1n \geq 1. La somme partielle de la série s'écrit alors :

SN(x)=f0(x)+n=1N(gn1(x)gn(x))=1+g0(x)gN(x)=2gN(x)S_N(x) = f_0(x) + \sum_{n=1}^N (g_{n-1}(x) - g_n(x)) = 1 + g_0(x) - g_N(x) = 2 - g_N(x)

La convergence simple de la série fn\sum f_n équivaut donc à la convergence simple de la suite (gN)(g_N).

  • Cas x>1x > 1 : On a 1+xkxk1+x^k \geq x^k. Donc 0gN(x)1xN(N+1)/20 \leq g_N(x) \leq \frac{1}{x^{N(N+1)/2}}. Comme x>1x > 1, gN(x)N+0g_N(x) \xrightarrow[N \to +\infty]{} 0. La série converge simplement vers 22.

  • Cas x=1x = 1 : gN(1)=12NN+0g_N(1) = \frac{1}{2^N} \xrightarrow[N \to +\infty]{} 0. La série converge simplement vers 22.

  • Cas 0x<10 \leq x < 1 : Comme xk0x^k \geq 0, la suite (gN(x))(g_N(x)) est décroissante et minorée par 00, donc elle converge vers une limite g(x)[0,1]g(x) \in [0, 1]. En passant au logarithme pour x]0,1[x \in ]0, 1[ :
    ln(gN(x))=k=1Nln(1+xk)\ln(g_N(x)) = - \sum_{k=1}^N \ln(1+x^k)
    Comme ln(1+xk)xk\ln(1+x^k) \sim x^k et que la série géométrique xk\sum x^k converge, la série ln(1+xk)\sum \ln(1+x^k) converge. Ainsi, g(x)=exp(k=1+ln(1+xk))>0g(x) = \exp\left( - \sum_{k=1}^{+\infty} \ln(1+x^k) \right) > 0. Pour x=0x=0, gN(0)=1g_N(0)=1 donc g(0)=1g(0)=1.

Conclusion sur la convergence simple : La série fn\sum f_n converge simplement sur R+\mathbb{R}_+ vers la fonction SS définie par :

S(x)={2si x12k=1+11+xksi 0x<1\boxed{ S(x) = \begin{cases} 2 & \text{si } x \geq 1
2 - \prod_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{1+x^k} & \text{si } 0 \leq x < 1 \end{cases} }

2. Étude de la convergence uniforme.

La convergence uniforme de fn\sum f_n équivaut à la convergence uniforme de (gN)(g_N) vers gg sur R+\mathbb{R}_+.

Étape 1 : Continuité de la limite. La fonction gg est clairement continue sur [0,1[[0, 1[ et sur ]1,+[]1, +\infty[ comme produit convergent de fonctions continues. Étudions la limite en 11^-. Pour x[0,1[x \in [0, 1[ :

k=1+ln(1+xk)k=1Mln(1+xk)x1Mln(2)\sum_{k=1}^{+\infty} \ln(1+x^k) \geq \sum_{k=1}^M \ln(1+x^k) \xrightarrow[x \to 1^-]{} M \ln(2)
Ceci étant vrai pour tout MNM \in \mathbb{N}, par passage à la limite sur MM, k=1+ln(1+xk)x1+\sum_{k=1}^{+\infty} \ln(1+x^k) \xrightarrow[x \to 1^-]{} +\infty. Par composition avec l'exponentielle, limx1g(x)=0\lim_{x \to 1^-} g(x) = 0. Comme g(1)=0g(1)=0 et g(x)=0g(x)=0 pour x>1x>1, gg est continue sur R+\mathbb{R}_+.

Étape 2 : Convergence uniforme sur [0,1][0, 1]. Les fonctions gNg_N sont continues sur le compact [0,1][0, 1]. La suite (gN)(g_N) est monotone (décroissante) et converge vers une fonction gg continue. D'après le premier théorème de Dini, la convergence est uniforme sur [0,1][0, 1].

Étape 3 : Convergence uniforme sur [1,+[[1, +\infty[. Pour tout x1x \geq 1, on a 0gN(x)gN(1)=12N0 \leq g_N(x) \leq g_N(1) = \frac{1}{2^N}. Comme le majorant 2N2^{-N} ne dépend pas de xx et tend vers 00, la suite (gN)(g_N) converge uniformément vers 00 sur [1,+[[1, +\infty[.

Conclusion générale : La convergence est uniforme sur [0,1][0, 1] et sur [1,+[[1, +\infty[, donc :

La seˊrie fn converge uniformeˊment sur R+\boxed{ \text{La série } \sum f_n \text{ converge uniformément sur } \mathbb{R}_+ }

Oublier de vérifier la continuité de la limite globale, notamment au point de raccordement x=1.

L'étude d'une série télescopique se ramène à l'étude de la convergence de la suite associée. Le théorème de Dini est un outil puissant pour la convergence uniforme de suites monotones.