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Soit la suite de fonctions (fn)n≥2(f_n)_{n \geq 2} définies sur R+\mathbb{R}_+ par :

fn(x)=sin⁡(x)e−nxln⁡(n)f_n(x) = \frac{\sin(x) e^{-nx}}{\ln(n)}

Étudier la convergence simple, la convergence normale et la convergence uniforme de la série de fonctions ∑fn\sum f_n sur l'intervalle [0,+∞[[0, +\infty[.

1.

Pour la convergence simple, distinguer le cas x=0x=0 et le cas x>0x>0 en utilisant des comparaisons avec des séries de Riemann.

2.

Pour la convergence normale, minorer la norme infinie en évaluant fnf_n en un point bien choisi (par exemple x=1/nx=1/n) et utiliser les séries de Bertrand.

3.

Pour la convergence uniforme, majorer le reste Rn(x)R_n(x) en utilisant une somme géométrique et étudier la borne supérieure de la fonction résultante.

Idées clés

•

Découpage du domaine pour la convergence simple.

•

Utilisation des séries de Bertrand pour infirmer la convergence normale.

•

Majoration uniforme du reste par une suite tendant vers 0.

1. Convergence simple.

Soit x∈R+x \in \mathbb{R}_+.

Si x=0x = 0, pour tout n≥2n \geq 2, fn(0)=0f_n(0) = 0. La série ∑fn(0)\sum f_n(0) converge et sa somme est nulle.

Si x>0x > 0, on a l'équivalence au voisinage de l'infini :

n2∣fn(x)∣=∣sin⁡(x)∣n2e−nxln⁡(n)→n→+∞0n^2 |f_n(x)| = \frac{|\sin(x)| n^2 e^{-nx}}{\ln(n)} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0
par croissance comparée, puisque e−nxe^{-nx} décroît exponentiellement vers 0.

Ainsi, ∣fn(x)∣=o(1/n2)|f_n(x)| = o(1/n^2). Par comparaison avec une série de Riemann convergente, la série ∑fn(x)\sum f_n(x) est absolument convergente.

La seˊrie ∑fn converge simplement sur R+.\boxed{\text{La série } \sum f_n \text{ converge simplement sur } \mathbb{R}_+.}

2. Convergence normale.

Les fonctions fnf_n sont continues sur R+\mathbb{R}_+ et tendent vers 0 en +∞+\infty, elles sont donc bornées. Étudions la norme infinie ∥fn∥∞=sup⁡x≥0∣fn(x)∣\|f_n\|_{\infty} = \sup_{x \geq 0} |f_n(x)|.

Pour nn assez grand, le point xn=1nx_n = \frac{1}{n} appartient à [0,+∞[[0, +\infty[. On a :

∣fn(xn)∣=sin⁡(1/n)e−1ln⁡(n)|f_n(x_n)| = \frac{\sin(1/n) e^{-1}}{\ln(n)}

En utilisant l'équivalent sin⁡(h)∼h\sin(h) \sim h en 0, on obtient :

∣fn(1/n)∣∼1enln⁡(n)|f_n(1/n)| \sim \frac{1}{en\ln(n)}

La série de terme général 1nln⁡(n)\frac{1}{n\ln(n)} est une série de Bertrand divergente (α=1,β=1\alpha=1, \beta=1). Par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑∥fn∥∞\sum \|f_n\|_{\infty} diverge.

La seˊrie ∑fn ne converge pas normalement sur R+.\boxed{\text{La série } \sum f_n \text{ ne converge pas normalement sur } \mathbb{R}_+.}

3. Convergence uniforme.

Soit x>0x > 0. Notons Rn(x)=∑k=n+1+∞fk(x)R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} f_k(x) le reste de rang nn. On a :

∣Rn(x)∣≤∑k=n+1+∞∣sin⁡(x)∣e−kxln⁡(k)|R_n(x)| \leq \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{|\sin(x)| e^{-kx}}{\ln(k)}

Comme la suite (ln⁡(k))(\ln(k)) est croissante, on peut majorer par :

∣Rn(x)∣≤∣sin⁡(x)∣ln⁡(n+1)∑k=n+1+∞(e−x)k|R_n(x)| \leq \frac{|\sin(x)|}{\ln(n+1)} \sum_{k=n+1}^{+\infty} (e^{-x})^k

En utilisant la formule de la somme d'une série géométrique de raison e−x∈]0,1[e^{-x} \in ]0, 1[ :

∣Rn(x)∣≤∣sin⁡(x)∣ln⁡(n+1)e−(n+1)x1−e−x≤1ln⁡(n+1)∣sin⁡(x)∣e−x1−e−x|R_n(x)| \leq \frac{|\sin(x)|}{\ln(n+1)} \frac{e^{-(n+1)x}}{1-e^{-x}} \leq \frac{1}{\ln(n+1)} \frac{|\sin(x)| e^{-x}}{1-e^{-x}}

Posons g(x)=sin⁡(x)e−x1−e−xg(x) = \frac{\sin(x) e^{-x}}{1-e^{-x}} pour x>0x > 0. Au voisinage de 0+0^+, g(x)∼xx=1g(x) \sim \frac{x}{x} = 1. La fonction gg est donc prolongeable par continuité en 0. De plus, lim⁡x→+∞g(x)=0\lim_{x \to +\infty} g(x) = 0. gg est donc bornée sur ]0,+∞[]0, +\infty[. Soit M=sup⁡x>0∣g(x)∣M = \sup_{x > 0} |g(x)|.

On en déduit que pour tout x≥0x \geq 0 :

∣Rn(x)∣≤Mln⁡(n+1)|R_n(x)| \leq \frac{M}{\ln(n+1)}

Comme ce majorant est indépendant de xx et tend vers 0 quand n→+∞n \to +\infty :

La seˊrie ∑fn converge uniformeˊment sur R+.\boxed{\text{La série } \sum f_n \text{ converge uniformément sur } \mathbb{R}_+.}

Ne pas conclure que l'absence de CVN implique l'absence de CVU.

Majoration du reste par une suite indépendante de x.