La convergence simple de la série ∑fn équivaut donc à la convergence simple de la suite (gN).
Cas x>1 :
On a 1+xk≥xk. Donc 0≤gN(x)≤xN(N+1)/21.
Comme x>1, gN(x)N→+∞0.
La série converge simplement vers 2.
Cas x=1 :gN(1)=2N1N→+∞0.
La série converge simplement vers 2.
Cas 0≤x<1 :
Comme xk≥0, la suite (gN(x)) est décroissante et minorée par 0, donc elle converge vers une limite g(x)∈[0,1].
En passant au logarithme pour x∈]0,1[ :
ln(gN(x))=−k=1∑Nln(1+xk)
Comme ln(1+xk)∼xk et que la série géométrique ∑xk converge, la série ∑ln(1+xk) converge.
Ainsi, g(x)=exp(−∑k=1+∞ln(1+xk))>0.
Pour x=0, gN(0)=1 donc g(0)=1.
Conclusion sur la convergence simple :
La série ∑fn converge simplement sur R+ vers la fonction S définie par :
S(x)={22−∏k=1+∞1+xk1si x≥1si 0≤x<1
2. Étude de la convergence uniforme.
La convergence uniforme de ∑fn équivaut à la convergence uniforme de (gN) vers g sur R+.
Étape 1 : Continuité de la limite.
La fonction g est clairement continue sur [0,1[ et sur ]1,+∞[ comme produit convergent de fonctions continues.
Étudions la limite en 1−. Pour x∈[0,1[ :
k=1∑+∞ln(1+xk)≥k=1∑Mln(1+xk)x→1−Mln(2)
Ceci étant vrai pour tout M∈N, par passage à la limite sur M, ∑k=1+∞ln(1+xk)x→1−+∞.
Par composition avec l'exponentielle, limx→1−g(x)=0.
Comme g(1)=0 et g(x)=0 pour x>1, g est continue sur R+.
Étape 2 : Convergence uniforme sur [0,1].
Les fonctions gN sont continues sur le compact [0,1]. La suite (gN) est monotone (décroissante) et converge vers une fonction g continue.
D'après le premier théorème de Dini, la convergence est uniforme sur [0,1].
Étape 3 : Convergence uniforme sur [1,+∞[.
Pour tout x≥1, on a 0≤gN(x)≤gN(1)=2N1.
Comme le majorant 2−N ne dépend pas de x et tend vers 0, la suite (gN) converge uniformément vers 0 sur [1,+∞[.
Conclusion générale :
La convergence est uniforme sur [0,1] et sur [1,+∞[, donc :
La seˊrie ∑fn converge uniformeˊment sur 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.