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Soit a>0a > 0. On définit sur R+\mathbb{R}_+ la suite de fonctions (fn)n∈N(f_n)_{n \in \mathbb{N}} par :

fn(x)=xnn!e−axf_n(x) = \frac{x^n}{n!} e^{-ax}

  1. Étudier la convergence uniforme de la suite (fn)(f_n) sur [0,+∞[[0, +\infty[. On pourra distinguer les cas selon la valeur de aa.
  2. Étudier la convergence simple de la série de fonctions ∑fn\sum f_n sur [0,+∞[[0, +\infty[.
  3. Étudier la convergence uniforme de la série ∑fn\sum f_n sur [0,+∞[[0, +\infty[.

1.

Pour la question 1, chercher le maximum de fnf_n par dérivation. Utiliser la formule de Stirling pour l'équivalent de n!n! si nécessaire.

2.

Pour la question 2, reconnaître le développement en série entière d'une fonction usuelle.

3.

Pour la question 3, comparer la somme de la série et la régularité ou le comportement aux bornes.

Idées clés

•

Étude de fonction pour déterminer la norme infinie : ∥fn∥∞=fn(xn)\|f_n\|_\infty = f_n(x_n).

•

Formule de Stirling : n!∼(ne)n2πnn! \sim \left(\frac{n}{e}\right)^n \sqrt{2\pi n}.

•

Somme d'une série exponentielle : ∑xnn!=ex\sum \frac{x^n}{n!} = e^x.

Résolution.

  1. La fonction fnf_n est dérivable sur R+\mathbb{R}_+. On a :
    fn′(x)=e−axn!(nxn−1−axn)=xn−1e−axn!(n−ax)f_n'(x) = \frac{e^{-ax}}{n!} \left( n x^{n-1} - a x^n \right) = \frac{x^{n-1} e^{-ax}}{n!} (n - ax)
    La fonction fnf_n atteint son maximum en xn=nax_n = \frac{n}{a}. On a alors :
    ∥fn∥∞=fn(na)=nnn!anen\|f_n\|_\infty = f_n\left(\frac{n}{a}\right) = \frac{n^n}{n! a^n e^n}
    D'après la formule de Stirling, n!∼(ne)n2πnn! \sim \left(\frac{n}{e}\right)^n \sqrt{2\pi n}, d'où :
    ∥fn∥∞∼nn(ne)n2πn⋅anen=1an2πn\|f_n\|_\infty \sim \frac{n^n}{\left(\frac{n}{e}\right)^n \sqrt{2\pi n} \cdot a^n e^n} = \frac{1}{a^n \sqrt{2\pi n}}
    Premier cas : a>1a > 1. Alors ∥fn∥∞→0\|f_n\|_\infty \to 0, donc la suite (fn)(f_n) converge uniformément vers 00 sur [0,+∞[[0, +\infty[. Deuxième cas : a=1a = 1. Alors ∥fn∥∞∼12πn→0\|f_n\|_\infty \sim \frac{1}{\sqrt{2\pi n}} \to 0, donc la suite (fn)(f_n) converge uniformément vers 00 sur [0,+∞[[0, +\infty[. Troisième cas : 0<a<10 < a < 1. Alors ∥fn∥∞→+∞\|f_n\|_\infty \to +\infty, donc la suite ne converge pas uniformément.

  2. Pour x≥0x \ge 0 fixé, on reconnaît une série exponentielle :
    ∑n=0+∞fn(x)=e−ax∑n=0+∞xnn!=e−ax⋅ex=e(1−a)x\sum_{n=0}^{+\infty} f_n(x) = e^{-ax} \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n!} = e^{-ax} \cdot e^x = e^{(1-a)x}
    La série converge simplement sur [0,+∞[[0, +\infty[ vers la fonction S:x↦e(1−a)xS : x \mapsto e^{(1-a)x}.

  3. Si a>1a > 1 : On a vu que ∥fn∥∞∼1an2πn\|f_n\|_\infty \sim \frac{1}{a^n \sqrt{2\pi n}}. Puisque a>1a > 1, c'est le terme général d'une série convergente. La série ∑fn\sum f_n converge donc normalement, et par suite uniformément sur [0,+∞[[0, +\infty[.

    Si a≤1a \le 1 : Examinons le comportement en +∞+\infty. Si a<1a < 1, S(x)=e(1−a)x→x→+∞+∞S(x) = e^{(1-a)x} \xrightarrow[x \to +\infty]{} +\infty. Les sommes partielles sont des fonctions qui tendent vers 00 en +∞+\infty (car dominées par e−axe^{-ax}). Une limite uniforme de fonctions tendant vers 00 doit tendre vers 00. Comme SS ne tend pas vers 00, la convergence n'est pas uniforme. Si a=1a = 1, S(x)=1S(x) = 1. Or chaque somme partielle Sn(x)=∑k=0nxkk!e−xS_n(x) = \sum_{k=0}^n \frac{x^k}{k!} e^{-x} tend vers 00 quand x→+∞x \to +\infty. En effet, pour tout nn, lim⁡x→+∞Sn(x)=0\lim_{x \to +\infty} S_n(x) = 0 par croissance comparée. Si la convergence était uniforme sur [0,+∞[[0, +\infty[, on aurait :

    lim⁡x→+∞S(x)=lim⁡x→+∞lim⁡n→+∞Sn(x)=lim⁡n→+∞lim⁡x→+∞Sn(x)=0\lim_{x \to +\infty} S(x) = \lim_{x \to +\infty} \lim_{n \to +\infty} S_n(x) = \lim_{n \to +\infty} \lim_{x \to +\infty} S_n(x) = 0
    Or S(x)=1S(x) = 1 pour tout xx. Contradiction.
    La seˊrie converge uniformeˊment sur [0,+∞[  ⟺  a>1\boxed{ \text{La série converge uniformément sur } [0, +\infty[ \iff a > 1 }

La limite de la somme en l'infini peut contredire la convergence uniforme.

Méthode de la double limite pour infirmer une convergence uniforme sur un intervalle non borné.