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Soit f ⁣:RRf \colon \mathbb{R} \to \mathbb{R} définie par f(x)=sin(x)f(x) = \sin(x). On note fnf^{\circ n} la nn-ième itérée de la fonction sinus, définie par :

f1=sinetnN, f(n+1)=sinfnf^{\circ 1} = \sin   \text{et}   \forall n \in \mathbb{N}^*, \ f^{\circ (n+1)} = \sin \circ f^{\circ n}

Pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, on considère la fonction unu_n définie sur R\mathbb{R} par :

un(x)=(1)nfn(x)u_n(x) = (-1)^n f^{\circ n}(x)

Étudier la convergence normale, puis la convergence uniforme sur R\mathbb{R} de la série de fonctions n1un\sum_{n \geqslant 1} u_n.

1.

Commencer par étudier la suite des itérées (sinn(x))(\sin^{\circ n}(x)) en distinguant les cas selon la valeur de xRx \in \mathbb{R}.

2.

Pour la convergence normale, déterminer la norme infinie un\|u_n\|_\infty et chercher un équivalent de cette quantité quand n+n \to +\infty. On pourra poser vn=fn(π/2)v_n = f^{\circ n}(\pi/2).

3.

Pour la convergence uniforme, utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) et majorer le reste de la série.

Idées clés

Étude d'une suite récurrente xn+1=sin(xn)x_{n+1} = \sin(x_n) pour déterminer le comportement de un\|u_n\|_\infty.

Utilisation d'un développement asymptotique (méthode de la puissance de la suite) pour prouver la divergence de la série des normes.

Application du Critère Spécial des Séries Alternées (CSSA) pour obtenir une majoration uniforme du reste.

1. Étude de la convergence normale.

Soit nNn \in \mathbb{N}^*. La fonction fnf^{\circ n} est impaire car le sinus l'est. De plus, pour tout xRx \in \mathbb{R}, f(x)min(1,x)|f(x)| \leqslant \min(1, |x|).

Par une récurrence immédiate, on montre que pour tout xRx \in \mathbb{R}, fn(x)1|f^{\circ n}(x)| \leqslant 1, et l'image de fnf^{\circ n} est incluse dans [1,1][-1, 1]. Sur [0,π/2][0, \pi/2], la fonction sin\sin est croissante et à valeurs dans [0,1][0,π/2][0, 1] \subset [0, \pi/2].

Ainsi, par croissance de sin\sin sur [0,π/2][0, \pi/2], la fonction fnf^{\circ n} est croissante sur [0,π/2][0, \pi/2]. Comme sin(x)1π/2|\sin(x)| \leqslant 1 \leqslant \pi/2, on en déduit :

un=supxRfn(x)=fn(π2)\|u_n\|_\infty = \sup_{x \in \mathbb{R}} |f^{\circ n}(x)| = f^{\circ n}\left(\frac{\pi}{2}\right)

Posons vn=fn(π2)v_n = f^{\circ n}(\frac{\pi}{2}). On a v1=sin(π/2)=1v_1 = \sin(\pi/2) = 1 et vn+1=sin(vn)v_{n+1} = \sin(v_n). La suite (vn)(v_n) est à valeurs dans ]0,1]]0, 1] et comme sin(x)<x\sin(x) < x sur ]0,1]]0, 1], elle est strictement décroissante.

Elle converge donc vers l'unique point fixe de sin\sin dans [0,1][0, 1], à savoir 00. Effectuons un développement asymptotique. On a vn+1=vnvn36+o(vn3)v_{n+1} = v_n - \frac{v_n^3}{6} + o(v_n^3).

Cherchons α\alpha tel que vn+1αvnαv_{n+1}^\alpha - v_n^\alpha ait une limite finie non nulle :

vn+12vn2=vn2(1vn26+o(vn2))2vn2v_{n+1}^{-2} - v_n^{-2} = v_n^{-2} \left( 1 - \frac{v_n^2}{6} + o(v_n^2) \right)^{-2} - v_n^{-2}
vn+12vn2=vn2(1+13vn2+o(vn2))vn2=13+o(1)v_{n+1}^{-2} - v_n^{-2} = v_n^{-2} \left( 1 + \frac{1}{3}v_n^2 + o(v_n^2) \right) - v_n^{-2} = \frac{1}{3} + o(1)

D'après le théorème de l'isobarycentre (ou lemme de Cesàro), on en déduit vn2n3v_n^{-2} \sim \frac{n}{3}, soit :

un3n\boxed{\|u_n\|_\infty \sim \sqrt{\frac{3}{n}}}

Puisque la série de Riemann 1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}} diverge, on conclut :

La seˊrie un ne converge pas normalement sur R.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ ne converge pas normalement sur } \mathbb{R}.}

2. Étude de la convergence uniforme.

Fixons xRx \in \mathbb{R}. La série un(x)=(1)nfn(x)\sum u_n(x) = \sum (-1)^n f^{\circ n}(x) est une série alternée si f1(x)0f^{\circ 1}(x) \neq 0. En effet, le signe de fn(x)f^{\circ n}(x) est constant pour tout n1n \geqslant 1 (si x]0,π]x \in ]0, \pi], sin(x)>0\sin(x) > 0 et tous les itérés sont positifs).

Vérifions les hypothèses du CSSA pour la suite an(x)=fn(x)a_n(x) = |f^{\circ n}(x)| :

  1. La suite (an(x))(a_n(x)) est décroissante car sin(t)t|\sin(t)| \leqslant |t| pour tout tRt \in \mathbb{R}.
  2. La suite (an(x))(a_n(x)) converge vers 00 car 00 est l'unique point fixe attracteur de sinus.

D'après le CSSA, la série converge simplement sur R\mathbb{R}. Notons Rn(x)R_n(x) son reste d'ordre nn. Le CSSA fournit la majoration suivante :

xR, Rn(x)un+1(x)=an+1(x)\forall x \in \mathbb{R}, \ |R_n(x)| \leqslant |u_{n+1}(x)| = a_{n+1}(x)

En passant à la borne supérieure sur R\mathbb{R}, on obtient :

Rnun+1\|R_n\|_\infty \leqslant \|u_{n+1}\|_\infty

Or, nous avons montré précédemment que un+1=vn+10\|u_{n+1}\|_\infty = v_{n+1} \to 0 quand n+n \to +\infty. Ainsi, Rnn+0\|R_n\|_\infty \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0.

La seˊrie un converge uniformeˊment sur R.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ converge uniformément sur } \mathbb{R}.}

Confondre convergence normale et convergence uniforme pour une série alternée.

Le reste d'une série alternée est majoré par la valeur absolue de son premier terme négligé.