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Soit hh une fonction continue sur le segment [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] à valeurs réelles. On définit, pour tout entier naturel nn, la suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} par :

∀x∈[0,π2],fn(x)=h(x)(sin⁡x)n\forall x \in \left[0, \frac{\pi}{2}\right],   f_n(x) = h(x) (\sin x)^n

  1. Déterminer la limite simple de la suite (fn)(f_n) sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}].
  2. Étudier la convergence uniforme de la suite (fn)(f_n) sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] en distinguant les cas selon la valeur de h(π2)h(\frac{\pi}{2}).

1.

Pour la limite simple, distinguez le point x=π/2x = \pi/2 des autres points de l'intervalle.

2.

Pour la convergence uniforme, si la limite simple est discontinue alors que les fnf_n sont continues, concluez immédiatement.

3.

Si la limite est nulle, utilisez la continuité de hh en π/2\pi/2 pour découper l'intervalle d'étude en deux parties.

Idées clés

•

Lien entre continuité et convergence uniforme (propriété de la limite).

•

Découpage en ε\varepsilon pour la convergence uniforme vers la fonction nulle.

•

Majoration uniforme sur un segment où la base de la puissance est strictement inférieure à 1.

Résolution.

  1. Convergence simple. Soit x∈[0,π2]x \in [0, \frac{\pi}{2}]. Si x∈[0,π2[x \in [0, \frac{\pi}{2}[, on a 0⩽sin⁡x<10 \leqslant \sin x < 1. Par conséquent, la suite géométrique (sin⁡x)n(\sin x)^n converge vers 00. On en déduit :
    lim⁡n→+∞fn(x)=0\lim_{n \to +\infty} f_n(x) = 0
    Si x=π2x = \frac{\pi}{2}, alors sin⁡x=1\sin x = 1. On a donc fn(π2)=h(π2)⋅1n=h(π2)f_n(\frac{\pi}{2}) = h(\frac{\pi}{2}) \cdot 1^n = h(\frac{\pi}{2}). Soit ff la fonction limite simple définie sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] par :
    f(x)={0si x∈[0,π2[h(π2)si x=π2\boxed{ f(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x \in [0, \frac{\pi}{2}[
    h(\frac{\pi}{2}) & \text{si } x = \frac{\pi}{2} \end{cases} }

  2. Convergence uniforme.

    On distingue deux situations selon la valeur de h(π2)h(\frac{\pi}{2}).

    Premier cas : h(π2)≠0h(\frac{\pi{2}) \neq 0.} Dans ce cas, la fonction ff présente une discontinuité au point π2\frac{\pi}{2} puisque :

    lim⁡x→(π/2)−f(x)=0≠h(π2)\lim_{x \to (\pi/2)^-} f(x) = 0 \neq h\left(\frac{\pi}{2}\right)
    Or, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, fnf_n est continue sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] comme produit de fonctions continues. Si la suite (fn)(f_n) convergeait uniformément sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}], sa limite simple ff serait nécessairement continue sur ce segment.
    Si h(π2)≠0, la convergence n’est pas uniforme sur [0,π/2].\boxed{ \text{Si } h\left(\frac{\pi}{2}\right) \neq 0, \text{ la convergence n'est pas uniforme sur } [0, \pi/2]. }

    Second cas : h(π2)=0h(\frac{\pi{2}) = 0.} Ici, la fonction limite ff est la fonction nulle sur [0,π2][0, \frac{\pi}{2}]. Fixons ε>0\varepsilon > 0. Par continuité de hh en π2\frac{\pi}{2}, il existe α∈]0,π2[\alpha \in ]0, \frac{\pi}{2}[ tel que :

    ∀x∈[π2−α,π2],∣h(x)−h(π2)∣=∣h(x)∣⩽ε\forall x \in \left[\frac{\pi}{2} - \alpha, \frac{\pi}{2}\right],   |h(x) - h(\frac{\pi}{2})| = |h(x)| \leqslant \varepsilon
    Alors, pour tout x∈[π2−α,π2]x \in [\frac{\pi}{2} - \alpha, \frac{\pi}{2}] et tout n∈Nn \in \mathbb{N} :
    ∣fn(x)∣=∣h(x)∣⋅(sin⁡x)n⩽∣h(x)∣⩽ε|f_n(x)| = |h(x)| \cdot (\sin x)^n \leqslant |h(x)| \leqslant \varepsilon
    Sur l'intervalle [0,π2−α][0, \frac{\pi}{2} - \alpha], la fonction hh est continue sur un segment donc bornée. Posons M=sup⁡x∈[0,π/2]∣h(x)∣M = \sup_{x \in [0, \pi/2]} |h(x)|. Pour tout x∈[0,π2−α]x \in [0, \frac{\pi}{2} - \alpha] :
    ∣fn(x)∣⩽M⋅(sin⁡(π2−α))n|f_n(x)| \leqslant M \cdot (\sin(\frac{\pi}{2} - \alpha))^n
    Comme 0⩽sin⁡(π2−α)<10 \leqslant \sin(\frac{\pi}{2} - \alpha) < 1, il existe un rang n0n_0 tel que pour tout n⩾n0n \geqslant n_0 :
    M⋅(sin⁡(π2−α))n⩽εM \cdot (\sin(\frac{\pi}{2} - \alpha))^n \leqslant \varepsilon
    Finalement, pour tout n⩾n0n \geqslant n_0 et tout x∈[0,π2]x \in [0, \frac{\pi}{2}] :
    ∣fn(x)∣⩽ε|f_n(x)| \leqslant \varepsilon
    On a donc sup⁡x∈[0,π/2]∣fn(x)∣→0\sup_{x \in [0, \pi/2]} |f_n(x)| \to 0.
    Si h(π2)=0, la suite (fn) converge uniformeˊment vers la fonction nulle.\boxed{ \text{Si } h\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0, \text{ la suite } (f_n) \text{ converge uniformément vers la fonction nulle.} }

Oublier la condition nécessaire de continuité de la limite pour la convergence uniforme.

Technique de découpage d'intervalle pour la convergence uniforme vers 0 lorsque le facteur prédominant tend vers 0 partout sauf en un point.