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Pour tout entier n⩾2n \geqslant 2, on définit la fonction fnf_n sur R+\mathbb{R}^+ par :

fn(x)=xe−nxln⁡nf_n(x) = \frac{x e^{-nx}}{\ln n}
On considère la fonction SS définie par S(x)=∑n=2+∞fn(x)S(x) = \sum_{n=2}^{+\infty} f_n(x).

  1. Déterminer le domaine de définition de SS.
  2. La série ∑fn\sum f_n converge-t-elle normalement sur R+\mathbb{R}^+ ?
    1. Montrer que pour tout x>0x > 0 et tout n⩾2n \geqslant 2, le reste d'ordre nn, noté Rn(x)=∑k=n+1+∞fk(x)R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} f_k(x), vérifie :
      0⩽Rn(x)⩽1ln⁡(n+1)xe−(n+1)x1−e−x0 \leqslant R_n(x) \leqslant \frac{1}{\ln(n+1)} \frac{x e^{-(n+1)x}}{1-e^{-x}}
    2. En déduire que la série ∑fn\sum f_n converge uniformément sur R+\mathbb{R}^+.
  3. Étudier la classe de SS sur R+∗\mathbb{R}^{+*}.
  4. La fonction SS est-elle dérivable à droite en 00 ?
  5. Déterminer la limite de xkS(x)x^k S(x) quand x→+∞x \to +\infty pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}.

1.

Pour la convergence normale, étudier le maximum de fnf_n et utiliser les séries de Bertrand.

2.

Pour la convergence uniforme, utiliser le fait que x↦x1−e−xx \mapsto \frac{x}{1-e^{-x}} est prolongeable par continuité en 00.

3.

Pour la dérivabilité en 00, étudier le taux d'accroissement et utiliser le théorème de convergence monotone pour les séries.

4.

Pour la limite en l'infini, utiliser la convergence normale sur [1,+∞[[1, +\infty[.

Idées clés

•

Étude de fonction pour la norme infinie : ∥fn∥∞=fn(1/n)\|f_n\|_\infty = f_n(1/n).

•

Majoration du reste par une série géométrique pour la convergence uniforme.

•

Théorème de dérivation sous le signe somme sur tout segment de R+∗\mathbb{R}^{+*}.

Résolution.

  1. Pour x=0x = 0, fn(0)=0f_n(0) = 0, la série converge. Pour x>0x > 0, fn(x)=o(1/n2)f_n(x) = o(1/n^2) par croissances comparées. La série converge donc absolument pour tout x∈R+x \in \mathbb{R}^+.
    DS=[0,+∞[\boxed{D_S = [0, +\infty[}

  2. La fonction fnf_n est dérivable sur R+\mathbb{R}^+ et fn′(x)=e−nx(1−nx)ln⁡nf_n'(x) = \frac{e^{-nx}(1-nx)}{\ln n}. Le maximum est atteint en x=1/nx = 1/n et vaut ∥fn∥∞=1enln⁡n\|f_n\|_\infty = \frac{1}{en \ln n}. La série ∑1nln⁡n\sum \frac{1}{n \ln n} est une série de Bertrand divergente.
    Il n’y a pas convergence normale sur R+.\boxed{\text{Il n'y a pas convergence normale sur } \mathbb{R}^+.}

    1. Pour x>0x > 0, par décroissance de k↦1ln⁡kk \mapsto \frac{1}{\ln k} :
      Rn(x)=∑k=n+1+∞xe−kxln⁡k⩽xln⁡(n+1)∑k=n+1+∞(e−x)kR_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{x e^{-kx}}{\ln k} \leqslant \frac{x}{\ln(n+1)} \sum_{k=n+1}^{+\infty} (e^{-x})^k
      En utilisant la somme d'une série géométrique de raison e−x<1e^{-x} < 1 :
      Rn(x)⩽1ln⁡(n+1)xe−(n+1)x1−e−x\boxed{R_n(x) \leqslant \frac{1}{\ln(n+1)} \frac{x e^{-(n+1)x}}{1-e^{-x}}}

    2. Posons ϕ(x)=xe−x1−e−x\phi(x) = \frac{x e^{-x}}{1-e^{-x}} pour x>0x > 0 et ϕ(0)=1\phi(0)=1. Comme ϕ\phi est continue sur R+\mathbb{R}^+ (limite 11 en 00) et tend vers 00 en +∞+\infty, elle est bornée par un réel MM. Ainsi, pour tout x∈R+x \in \mathbb{R}^+, ∣Rn(x)∣⩽Mln⁡(n+1)|R_n(x)| \leqslant \frac{M}{\ln(n+1)}, ce qui ne dépend plus de xx. Comme Mln⁡(n+1)→0\frac{M}{\ln(n+1)} \to 0, la convergence est uniforme.

  3. Chaque fnf_n est de classe C1\mathcal{C}^1. Fixons [a,b]⊂R+∗[a, b] \subset \mathbb{R}^{+*}. ∣fn′(x)∣=∣1−nx∣e−nxln⁡n⩽(1+nb)e−naln⁡n|f_n'(x)| = \frac{|1-nx|e^{-nx}}{\ln n} \leqslant \frac{(1+nb)e^{-na}}{\ln n}. Le membre de droite est le terme général d'une série convergente. Il y a donc convergence normale de ∑fn′\sum f_n' sur tout segment de R+∗\mathbb{R}^{+*}.
    S est de classe C1 sur ]0,+∞[.\boxed{S \text{ est de classe } \mathcal{C}^1 \text{ sur } ]0, +\infty[.}

  4. Le taux d'accroissement en 00 est S(x)−S(0)x=∑n=2+∞e−nxln⁡n\frac{S(x)-S(0)}{x} = \sum_{n=2}^{+\infty} \frac{e^{-nx}}{\ln n}. Tous les termes sont positifs et décroissent vers 1ln⁡n\frac{1}{\ln n} quand x→0+x \to 0^+. D'après le théorème de convergence monotone pour les séries :
    lim⁡x→0+S(x)x=∑n=2+∞1ln⁡n=+∞\lim_{x \to 0^+} \frac{S(x)}{x} = \sum_{n=2}^{+\infty} \frac{1}{\ln n} = +\infty
    S n’est pas deˊrivable en 0.\boxed{S \text{ n'est pas dérivable en } 0.}

  5. Pour x⩾1x \geqslant 1, ∣fn(x)∣⩽xe−nxln⁡2|f_n(x)| \leqslant \frac{x e^{-nx}}{\ln 2}. ∑fn\sum f_n converge normalement sur [1,+∞[[1, +\infty[ car ∥fn∥∞[1,+∞[=fn(1)\|f_n\|_\infty^{[1, +\infty[} = f_n(1) pour nn assez grand. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, xkfn(x)=xk+1e−nxln⁡n→x→+∞0x^k f_n(x) = \frac{x^{k+1} e^{-nx}}{\ln n} \xrightarrow[x \to +\infty]{} 0. Par interversion de limites (justifiée par la convergence uniforme de ∑xkfn\sum x^k f_n sur [1,+∞[[1, +\infty[ via une majoration par e−nx×constantee^{-nx} \times \text{constante}),
    lim⁡x→+∞xkS(x)=0\boxed{\lim_{x \to +\infty} x^k S(x) = 0}

L'absence de convergence normale sur l'intervalle total n'empêche pas la convergence uniforme.

Utiliser la majoration du reste pour obtenir la convergence uniforme quand la convergence normale échoue.