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On considère la série de fonctions de la variable réelle définie par :

f(x)=∑n=0+∞sin⁡(nx)xnf(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \sin(nx)x^n

Déterminer l'ensemble de définition de la fonction ff, c'est-à-dire l'ensemble des réels xx pour lesquels la série numérique ∑sin⁡(nx)xn\sum \sin(nx)x^n converge.

1.

Pour ∣x∣<1|x| < 1, utiliser une majoration par une série géométrique convergente.

2.

Pour les valeurs de xx telles que sin⁡(x)=0\sin(x) = 0, identifier la nature de la série.

3.

Pour ∣x∣≥1|x| \geq 1 avec sin⁡(x)≠0\sin(x) \neq 0, raisonner par l'absurde en supposant que le terme général de la série tend vers 00. Utiliser les formules d'addition trigonométriques pour aboutir à une contradiction.

Idées clés

•

Condition nécessaire de convergence d'une série (lim⁡un=0\lim u_n = 0).

•

Convergence absolue (majoration par une série géométrique).

•

Identités trigonométriques pour l'étude de la limite de sin⁡(nx)\sin(nx).

Résolution.

Notons un(x)=sin⁡(nx)xnu_n(x) = \sin(nx)x^n le terme général de la série pour n∈Nn \in \mathbb{N} et x∈Rx \in \mathbb{R}.

  1. Cas où ∣x∣<1|x| < 1 : Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on a la majoration classique ∣sin⁡(nx)∣≤1|\sin(nx)| \leq 1. On en déduit :
    ∣un(x)∣≤∣x∣n|u_n(x)| \leq |x|^n
    Comme ∣x∣<1|x| < 1, la série géométrique ∑∣x∣n\sum |x|^n converge. Par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑un(x)\sum u_n(x) est absolument convergente, donc convergente.
  2. Cas où xx est un multiple de π\pi : Supposons qu'il existe k∈Zk \in \mathbb{Z} tel que x=kπx = k\pi. Alors pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on a nx=nkπnx = nk\pi, d'où sin⁡(nx)=0\sin(nx) = 0. Le terme général un(x)u_n(x) est donc constamment nul, ce qui assure la convergence de la série (sa somme est nulle).
  3. Cas où ∣x∣≥1|x| \geq 1 et x∉πZx \notin \pi\mathbb{Z :} Raisonnons par l'absurde en supposant que la série ∑un(x)\sum u_n(x) converge. D'après la condition nécessaire de convergence, la suite (un(x))(u_n(x)) doit tendre vers 00. Puisque ∣x∣≥1|x| \geq 1, on a :
    ∣un(x)∣=∣sin⁡(nx)∣⋅∣x∣n≥∣sin⁡(nx)∣|u_n(x)| = |\sin(nx)| \cdot |x|^n \geq |\sin(nx)|
    Ainsi, la convergence de (un(x))(u_n(x)) vers 00 implique nécessairement que :
    lim⁡n→+∞sin⁡(nx)=0\lim_{n \to +\infty} \sin(nx) = 0
    Utilisons maintenant la formule d'addition du sinus :
    ∀n∈N,sin⁡((n+1)x)=sin⁡(nx)cos⁡(x)+cos⁡(nx)sin⁡(x)\forall n \in \mathbb{N},   \sin((n+1)x) = \sin(nx)\cos(x) + \cos(nx)\sin(x)
    Par passage à la limite dans cette égalité, comme sin⁡(nx)→0\sin(nx) \to 0 et sin⁡((n+1)x)→0\sin((n+1)x) \to 0, on obtient :
    lim⁡n→+∞cos⁡(nx)sin⁡(x)=0\lim_{n \to +\infty} \cos(nx)\sin(x) = 0
    Or, nous avons supposé x∉πZx \notin \pi\mathbb{Z}, donc sin⁡(x)≠0\sin(x) \neq 0. On en déduit que :
    lim⁡n→+∞cos⁡(nx)=0\lim_{n \to +\infty} \cos(nx) = 0
    Enfin, en utilisant la relation pythagoricienne sin⁡2(nx)+cos⁡2(nx)=1\sin^2(nx) + \cos^2(nx) = 1, le passage à la limite donne :
    02+02=10^2 + 0^2 = 1
    Cette contradiction prouve que la suite (un(x))(u_n(x)) ne tend pas vers 00. La série diverge donc grossièrement.

Conclusion :

L'ensemble de définition DD de la fonction ff est la réunion de l'intervalle ouvert ]−1,1[]-1, 1[ et de l'ensemble des multiples de π\pi.

D=]−1,1[∪{kπ∣k∈Z}\boxed{D = ]-1, 1[ \cup \{k\pi \mid k \in \mathbb{Z}\}}

Oublier les points isolés où le sinus s'annule pour |x| >= 1.

Utiliser cos^2 + sin^2 = 1 pour prouver que sin(nx) ne tend pas vers 0 si x n'est pas multiple de pi.