Soit définie par . On note la -ième itérée de la fonction sinus, définie par :
Pour tout , on considère la fonction définie sur par :
Étudier la convergence normale, puis la convergence uniforme sur de la série de fonctions .
Commencer par étudier la suite des itérées en distinguant les cas selon la valeur de .
Pour la convergence normale, déterminer la norme infinie et chercher un équivalent de cette quantité quand . On pourra poser .
Pour la convergence uniforme, utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) et majorer le reste de la série.
Étude d'une suite récurrente pour déterminer le comportement de .
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 . La fonction est impaire car le sinus l'est. De plus, pour tout , .
Par une récurrence immédiate, on montre que pour tout , , et l'image de est incluse dans . Sur , la fonction est croissante et à valeurs dans .
Ainsi, par croissance de sur , la fonction est croissante sur . Comme , on en déduit :
Posons . On a et . La suite est à valeurs dans et comme sur , elle est strictement décroissante.
Elle converge donc vers l'unique point fixe de dans , à savoir . Effectuons un développement asymptotique. On a .
Cherchons tel que ait une limite finie non nulle :
D'après le théorème de l'isobarycentre (ou lemme de Cesàro), on en déduit , soit :
Puisque la série de Riemann diverge, on conclut :
2. Étude de la convergence uniforme.
Fixons . La série est une série alternée si . En effet, le signe de est constant pour tout (si , et tous les itérés sont positifs).
Vérifions les hypothèses du CSSA pour la suite :
D'après le CSSA, la série converge simplement sur . Notons son reste d'ordre . Le CSSA fournit la majoration suivante :
En passant à la borne supérieure sur , on obtient :
Or, nous avons montré précédemment que quand . Ainsi, .
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.