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Pour tout nNn \in \mathbb{N}, on considère l'intégrale un=01(1t2)ndtu_n = \int_0^1 (1 - t^2)^n \text{d}t.

  1. Déterminer la limite de la suite (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}}.
  2. Pour nNn \in \mathbb{N}, on définit la fonction fnf_n sur [0,1][0, 1] par :
    fn(x)=1un0x(1t2)ndtf_n(x) = \frac{1}{u_n} \int_0^x (1 - t^2)^n \text{d}t
    Étudier la convergence simple et uniforme de la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} sur [0,1][0, 1].

1.

Pour la question 1, utiliser le théorème de convergence dominée ou un encadrement.

2.

Pour la question 2, remarquer que fn(1)=1f_n(1)=1. Pour x<1x < 1, majorer l'intégrale en exploitant la décroissance de t(1t2)nt \mapsto (1-t^2)^n.

3.

Pour l'équivalent de unu_n, on pourra reconnaître une intégrale de Wallis.

Idées clés

Théorème de convergence dominée (TCD).

Intégrales de Wallis pour l'équivalent.

Lien entre convergence uniforme et continuité de la limite.

Résolution.

  1. Posons gn(t)=(1t2)ng_n(t) = (1-t^2)^n. Pour tout t]0,1]t \in ]0, 1], on a 01t2<10 \leq 1-t^2 < 1, donc limn+gn(t)=0\lim_{n \to +\infty} g_n(t) = 0. De plus, pour tout t[0,1]t \in [0, 1], gn(t)1|g_n(t)| \leq 1, et la fonction constante égale à 11 est intégrable sur [0,1][0, 1]. Par le théorème de convergence dominée, on en déduit :
    limn+un=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} u_n = 0}

    1. Convergence simple : Soit x[0,1[x \in [0, 1[. Pour tout t[0,x]t \in [0, x], on a (1t2)1(1-t^2) \leq 1. Cependant, pour isoler la dépendance en nn, on observe que :
      00x(1t2)ndt0x(1x2)ndt=x(1x2)n0 \leq \int_0^x (1-t^2)^n \text{d}t \leq \int_0^x (1-x^2)^n \text{d}t = x(1-x^2)^n
      Il nous faut un équivalent de unu_n. En posant t=cosθt = \cos \theta, on retrouve des intégrales de Wallis, ou plus simplement par intégration par parties :
      un=011(1t2)ndt=[t(1t2)n]01=0+2n01t2(1t2)n1dtu_n = \int_0^1 1 \cdot (1-t^2)^n \text{d}t = \underbrace{[t(1-t^2)^n]_0^1}_{=0} + 2n \int_0^1 t^2(1-t^2)^{n-1} \text{d}t
      En écrivant t2=1(1t2)t^2 = 1 - (1-t^2), on obtient un=2n(un1un)u_n = 2n(u_{n-1} - u_n), soit un=2n2n+1un1u_n = \frac{2n}{2n+1} u_{n-1}. Par calcul standard (Stirling ou produit), on obtient unπ2nu_n \sim \frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{n}}. Ainsi, pour x[0,1[x \in [0, 1[ :
      0fn(x)x(1x2)nun2xn(1x2)nπn+00 \leq f_n(x) \leq \frac{x(1-x^2)^n}{u_n} \sim \frac{2x\sqrt{n}(1-x^2)^n}{\sqrt{\pi}} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0
      Comme fn(1)=unun=1f_n(1) = \frac{u_n}{u_n} = 1, la suite (fn)(f_n) converge simplement vers la fonction ff définie par :
      f(x)={0si x[0,1[1si x=1\boxed{f(x) = \begin{cases} 0 & \text{si } x \in [0, 1[
      1 & \text{si } x = 1 \end{cases}}

    2. Convergence uniforme : La limite simple ff n'est pas continue sur [0,1][0, 1], alors que chaque fnf_n est continue (primitive d'une fonction continue). Par contraposée du théorème de continuité des limites uniformes :
      La convergence n’est pas uniforme sur [0,1]\boxed{\text{La convergence n'est pas uniforme sur } [0, 1]}
      Cependant, sur tout segment [0,a][0, a] avec a<1a < 1, on a :
      fn,[0,a]=fn(a)0\|f_n\|_{\infty, [0, a]} = f_n(a) \to 0
      donc il y a convergence uniforme sur tout segment inclus dans [0,1[[0, 1[.

Continuité de la limite simple pour la convergence uniforme

Comportement des intégrales de puissances d'une fonction maximale en un point