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On définit pour tout réel xx la fonction SS par :

S(x)=∑n=1+∞arctan⁡(nx)n2S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{\arctan(nx)}{n^2}

  1. Justifier que SS est définie et continue sur R\mathbb{R}.
  2. Déterminer un équivalent de S(x)S(x) lorsque xx tend vers 0+0^+.

1.

Pour la continuité, majorer le terme général par une série de Riemann indépendante de xx.

2.

Pour l'équivalent, utiliser une comparaison série-intégrale. On montrera que la fonction t↦arctan⁡(xt)t2t \mapsto \frac{\arctan(xt)}{t^2} est décroissante pour t>0t > 0 fixé.

Idées clés

•

Convergence normale sur R\mathbb{R} grâce à la borne supérieure de l'arctangente.

•

Comparaison série-intégrale pour estimer la croissance près d'une singularité ou d'un point d'accumulation.

•

Intégration par parties pour calculer l'intégrale de comparaison.

Résolution.

  1. Domaine de définition et continuité. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on a ∣arctan⁡(nx)∣<π2|\arctan(nx)| < \frac{\pi}{2}. On en déduit la majoration uniforme :
    ∀x∈R,∣un(x)∣=∣arctan⁡(nx)n2∣≤π2n2\forall x \in \mathbb{R},   |u_n(x)| = \left| \frac{\arctan(nx)}{n^2} \right| \leq \frac{\pi}{2n^2}
    Le terme de droite est le terme général d'une série de Riemann convergente (α=2>1\alpha = 2 > 1). La série ∑un\sum u_n converge donc normalement sur R\mathbb{R}. Chaque fonction unu_n étant continue sur R\mathbb{R}, la somme SS est continue sur R\mathbb{R}.
    S∈C0(R,R)\boxed{S \in \mathcal{C}^0(\mathbb{R}, \mathbb{R})}

  2. Équivalent en 0+0^+. Soit x>0x > 0. On pose fx(t)=arctan⁡(xt)t2f_x(t) = \frac{\arctan(xt)}{t^2} pour t∈[1,+∞[t \in [1, +\infty[. Calculons sa dérivée par rapport à tt :
    fx′(t)=xt1+x2t2−2arctan⁡(xt)t3f_x'(t) = \frac{\frac{x t}{1+x^2t^2} - 2\arctan(xt)}{t^3}
    Posons h(u)=u1+u2−2arctan⁡(u)h(u) = \frac{u}{1+u^2} - 2\arctan(u) pour u≥0u \geq 0. On a :
    h′(u)=(1+u2)−u(2u)(1+u2)2−21+u2=1−u2−2(1+u2)(1+u2)2=−1−3u2(1+u2)2<0h'(u) = \frac{(1+u^2) - u(2u)}{(1+u^2)^2} - \frac{2}{1+u^2} = \frac{1-u^2 - 2(1+u^2)}{(1+u^2)^2} = \frac{-1-3u^2}{(1+u^2)^2} < 0
    Comme h(0)=0h(0) = 0, hh est strictement négative sur ]0,+∞[]0, +\infty[. Ainsi, fx′(t)<0f_x'(t) < 0 et fxf_x est strictement décroissante sur [1,+∞[[1, +\infty[. Par comparaison série-intégrale :
    ∫1+∞arctan⁡(xt)t2dt≤S(x)≤u1(x)+∫1+∞arctan⁡(xt)t2dt\int_{1}^{+\infty} \frac{\arctan(xt)}{t^2} dt \leq S(x) \leq u_1(x) + \int_{1}^{+\infty} \frac{\arctan(xt)}{t^2} dt
    Calculons I(x)=∫1+∞arctan⁡(xt)t2dtI(x) = \int_{1}^{+\infty} \frac{\arctan(xt)}{t^2} dt par parties : \begin{align*} I(x) &= \left[ -\frac{\arctan(xt)}{t} \right]_1^{+\infty} + \int_1^{+\infty} \frac{x}{t(1+x^2t^2)} dt
    &= \arctan(x) + x \int_1^{+\infty} \left( \frac{1}{t} - \frac{x^2t}{1+x^2t^2} \right) dt
    &= \arctan(x) + \left[ x \ln(t) - \frac{x}{2} \ln(1+x^2t^2) \right]_1^{+\infty}
    &= \arctan(x) + \lim_{T \to +\infty} \left( x \ln\left(\frac{T}{\sqrt{1+x^2T^2}}\right) \right) + \frac{x}{2}\ln(1+x^2) \end{align*} La limite vaut xln⁡(1/x)=−xln⁡xx \ln(1/x) = -x \ln x. D'où :
    I(x)=arctan⁡(x)−xln⁡x+x2ln⁡(1+x2)I(x) = \arctan(x) - x \ln x + \frac{x}{2} \ln(1+x^2)
    Quand x→0+x \to 0^+, on a arctan⁡(x)∼x\arctan(x) \sim x et xln⁡(1+x2)=o(x)x \ln(1+x^2) = o(x). Le terme prédominant est −xln⁡x-x \ln x. Ainsi I(x)∼−xln⁡xI(x) \sim -x \ln x. Comme u1(x)=arctan⁡(x)=o(xln⁡x)u_1(x) = \arctan(x) = o(x \ln x), l'encadrement donne :
    S(x)∼x→0+−xln⁡x\boxed{S(x) \underset{x \to 0^+}{\sim} -x \ln x}

Justifier rigoureusement la décroissance de la fonction de comparaison.

L'équivalent d'une série peut être obtenu par le calcul d'une intégrale associée.