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Soit (an)n∈N(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de réels strictement positifs telle que la série ∑an\sum a_n converge. On note SS sa somme et, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, Sn=∑k=0nakS_n = \sum_{k=0}^n a_k sa somme partielle.

Soit f∈C0(R,R)f \in \mathscr{C}^0(\mathbb{R}, \mathbb{R}). On définit par récurrence une suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} par f0=ff_0 = f et, pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^* :

∀x∈R,fn(x)=1an∫xx+anfn−1(t) dt\forall x \in \mathbb{R},   f_n(x) = \frac{1}{a_n} \int_{x}^{x+a_n} f_{n-1}(t)   \mathrm{d}t

  1. Étude numérique. On suppose ici que an=2−na_n = 2^{-n} pour tout nn et que f(t)=tkf(t) = t^k avec k∈{0,1,2}k \in \{0, 1, 2\}.
    1. Proposer un script Python permettant de visualiser les fonctions f0,…,f4f_0, \dots, f_4.
    2. Quelle conjecture peut-on formuler sur la convergence de la suite (fn)(f_n) ?

  2. Soient a,b∈Ra, b \in \mathbb{R} tels que a<b−Sa < b - S. Pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}, on pose In=[a,b−Sn]I_n = [a, b - S_n]. On définit également :
    Mn=sup⁡x∈In∣fn(x)∣etDn=sup⁡x∈In∣fn′(x)∣M_n = \sup_{x \in I_n} |f_n(x)|   \text{et}   D_n = \sup_{x \in I_n} |f_n'(x)|
    (où DnD_n n'est défini que lorsque fnf_n est de classe C1\mathscr{C}^1).
    1. Justifier que pour tout n≥1n \geq 1, fnf_n est de classe Cn\mathscr{C}^n.
    2. Démontrer que la suite (Mn)n∈N(M_n)_{n \in \mathbb{N}} est décroissante.
    3. Démontrer que la suite (Dn)n∈N∗(D_n)_{n \in \mathbb{N}^*} est décroissante.

  3. Convergence.
    1. Montrer que pour tout n≥2n \geq 2 et tout x∈Inx \in I_n :
      ∣fn(x)−fn−1(x)∣≤an2Dn−1|f_n(x) - f_{n-1}(x)| \leq \frac{a_n}{2} D_{n-1}
    2. En déduire que la suite de fonctions (fn)(f_n) converge simplement sur ]a,b−S[]a, b-S[.

1.

Pour la régularité, utiliser le théorème fondamental de l'analyse et une récurrence.

2.

Pour la décroissance des bornes supérieures, observer que si x∈Inx \in I_n, alors l'intervalle d'intégration [x,x+an][x, x+a_n] est inclus dans In−1I_{n-1}.

3.

Pour le contrôle de la dérivée, exprimer fn′(x)f_n'(x) à l'aide des valeurs de fn−1f_{n-1} et utiliser le théorème des accroissements finis.

4.

Pour la convergence, utiliser le lien suite-série en étudiant la série ∑(fn−fn−1)\sum (f_n - f_{n-1}) et majorer son terme général à l'aide de la question 3(a).

Idées clés

•

Régularité par intégration (gains de classe Ck\mathscr{C}^k).

•

Stabilité des intervalles par la structure des sommes partielles SnS_n.

•

Théorème des Accroissements Finis (TAF) et Inégalité des Accroissements Finis (IAF).

•

Critère de convergence des séries de fonctions pour prouver la convergence de suites.

Résolution.

  1. Étude numérique.
    1. Voici une proposition de script utilisant \texttt{scipy.integrate.quad} pour le calcul numérique des intégrales.

      \begin{verbatim} import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.integrate import quad

      def resoudre_etude(k): def f0(x): return x**k

      # Liste pour stocker les fonctions successives fonctions = [f0]

      for n in range(1, 5): an = 2**(-n) # On définit fn à partir de fn-1 (capture de n et an par défaut) def fn(x, n_curr=n, an_curr=an, f_prec=fonctions[-1]): res, _ = quad(f_prec, x, x + an_curr) return res / an_curr fonctions.append(fn)

      x_vals = np.linspace(0, 2, 200) for i, func in enumerate(fonctions): y_vals = [func(xv) for xv in x_vals] plt.plot(x_vals, y_vals, label=f"f_{i}") plt.legend() plt.title(f"Etude pour k={k}") plt.show()

      # Test pour k=2 resoudre_etude(2) \end{verbatim}

    2. On observe graphiquement que pour k∈{0,1,2}k \in \{0, 1, 2\}, les courbes se superposent presque immédiatement ou évoluent très peu. On conjecture que la suite (fn)(f_n) converge simplement vers la fonction ff initiale.

  2. Propriétés des suites (Mn)(M_n) et (Dn)(D_n).
    1. Montrons par récurrence sur n∈N∗n \in \mathbb{N}^* que fn∈Cn(R,R)f_n \in \mathscr{C}^n(\mathbb{R}, \mathbb{R}). Initialisation : f0f_0 est continue. La fonction x↦∫0xf0(t)dtx \mapsto \int_0^x f_0(t) \mathrm{d}t est de classe C1\mathscr{C}^1 sur R\mathbb{R}. Comme f1(x)=1a1(∫0x+a1f0(t)dt−∫0xf0(t)dt)f_1(x) = \frac{1}{a_1} \left( \int_0^{x+a_1} f_0(t) \mathrm{d}t - \int_0^x f_0(t) \mathrm{d}t \right), f1f_1 est de classe C1\mathscr{C}^1. Hérédité : Si fn−1f_{n-1} est de classe Cn−1\mathscr{C}^{n-1}, alors par le même argument de primitive, fnf_n est de classe Cn\mathscr{C}^n. L'hérédité est vérifiée, d'où le résultat.

    2. Soit n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et x∈In=[a,b−Sn]x \in I_n = [a, b - S_n]. Pour tout t∈[x,x+an]t \in [x, x+a_n], on a :
      a≤x≤t≤x+an≤(b−Sn)+an=b−Sn−1a \leq x \leq t \leq x + a_n \leq (b - S_n) + a_n = b - S_{n-1}
      Ainsi, t∈[a,b−Sn−1]=In−1t \in [a, b - S_{n-1}] = I_{n-1}. Il en résulte :
      ∣fn−1(t)∣≤sup⁡u∈In−1∣fn−1(u)∣=Mn−1|f_{n-1}(t)| \leq \sup_{u \in I_{n-1}} |f_{n-1}(u)| = M_{n-1}
      En intégrant cette inégalité :
      ∣fn(x)∣≤1an∫xx+an∣fn−1(t)∣dt≤1an∫xx+anMn−1dt=Mn−1|f_n(x)| \leq \frac{1}{a_n} \int_x^{x+a_n} |f_{n-1}(t)| \mathrm{d}t \leq \frac{1}{a_n} \int_x^{x+a_n} M_{n-1} \mathrm{d}t = M_{n-1}
      Cette majoration étant vraie pour tout x∈Inx \in I_n, on en déduit par passage au supremum :
      Mn≤Mn−1\boxed{M_n \leq M_{n-1}}

    3. Pour n≥2n \geq 2, fn−1f_{n-1} est au moins C1\mathscr{C}^1. On a :
      ∀x∈R,fn′(x)=fn−1(x+an)−fn−1(x)an\forall x \in \mathbb{R},   f_n'(x) = \frac{f_{n-1}(x+a_n) - f_{n-1}(x)}{a_n}
      D'après le théorème des accroissements finis appliqué à fn−1f_{n-1} sur [x,x+an][x, x+a_n], il existe cx∈]x,x+an[c_x \in ]x, x+a_n[ tel que :
      fn′(x)=fn−1′(cx)f_n'(x) = f_{n-1}'(c_x)
      D'après le raisonnement précédent sur les intervalles, si x∈Inx \in I_n, alors cx∈In−1c_x \in I_{n-1}. Donc :
      ∣fn′(x)∣=∣fn−1′(cx)∣≤sup⁡u∈In−1∣fn−1′(u)∣=Dn−1|f_n'(x)| = |f_{n-1}'(c_x)| \leq \sup_{u \in I_{n-1}} |f_{n-1}'(u)| = D_{n-1}
      En passant au supremum sur InI_n, on obtient :
      Dn≤Dn−1\boxed{D_n \leq D_{n-1}}

  3. Convergence de la suite.
    1. Soit x∈Inx \in I_n. On écrit :
      fn(x)−fn−1(x)=1an∫xx+an(fn−1(t)−fn−1(x))dtf_n(x) - f_{n-1}(x) = \frac{1}{a_n} \int_x^{x+a_n} (f_{n-1}(t) - f_{n-1}(x)) \mathrm{d}t
      D'après l'inégalité des accroissements finis appliquée à fn−1f_{n-1} (qui est C1\mathscr{C}^1), pour tout t∈[x,x+an]t \in [x, x+a_n] :
      ∣fn−1(t)−fn−1(x)∣≤∣t−x∣⋅sup⁡u∈[x,t]∣fn−1′(u)∣|f_{n-1}(t) - f_{n-1}(x)| \leq |t - x| \cdot \sup_{u \in [x, t]} |f_{n-1}'(u)|
      Comme [x,t]⊂In−1[x, t] \subset I_{n-1}, on a sup⁡u∈[x,t]∣fn−1′(u)∣≤Dn−1\sup_{u \in [x, t]} |f_{n-1}'(u)| \leq D_{n-1}. D'où :
      ∣fn(x)−fn−1(x)∣≤Dn−1an∫xx+an(t−x)dt|f_n(x) - f_{n-1}(x)| \leq \frac{D_{n-1}}{a_n} \int_x^{x+a_n} (t-x) \mathrm{d}t
      Le calcul de l'intégrale donne [(t−x)22]xx+an=an22\left[ \frac{(t-x)^2}{2} \right]_x^{x+a_n} = \frac{a_n^2}{2}. On conclut :
      ∣fn(x)−fn−1(x)∣≤an2Dn−1\boxed{|f_n(x) - f_{n-1}(x)| \leq \frac{a_n}{2} D_{n-1}}

    2. Soit x∈]a,b−S[x \in ]a, b-S[. Pour nn assez grand, x∈Inx \in I_n. D'après la question précédente et la décroissance de (Dn)(D_n) :
      ∀n≥2,∣fn(x)−fn−1(x)∣≤D12an\forall n \geq 2,   |f_n(x) - f_{n-1}(x)| \leq \frac{D_1}{2} a_n
      La série ∑an\sum a_n converge par hypothèse. Par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑(fn(x)−fn−1(x))\sum (f_n(x) - f_{n-1}(x)) converge absolument. Par le lien suite-série, la suite (fn(x))n∈N(f_n(x))_{n \in \mathbb{N}} converge car :
      fn(x)=f0(x)+∑k=1n(fk(x)−fk−1(x))f_n(x) = f_0(x) + \sum_{k=1}^n (f_k(x) - f_{k-1}(x))
      Conclusion : La suite de fonctions (fn)(f_n) converge simplement sur ]a,b−S[]a, b-S[.

Vérification de l'emboîtement des intervalles pour le contrôle des normes infinies.

Étude de la convergence d'une suite via sa série télescopique associée.