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Soit f:R→Rf : \mathbb{R} \to \mathbb{R} une fonction d'une variable réelle. Pour tout entier naturel nn, on définit la fonction unu_n sur R\mathbb{R} par :

un(x)=(−1)nf(x)1+n2f(x)2u_n(x) = \frac{(-1)^n f(x)}{\sqrt{1 + n^2 f(x)^2}}
On considère la somme S(x)=∑n=0+∞un(x)S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x).

  1. Déterminer l'ensemble de définition DD de la fonction SS.
  2. La série de fonctions ∑un\sum u_n converge-t-elle uniformément sur DD ?
  3. On suppose dans cette question que ff est continue sur R\mathbb{R}.
    1. Démontrer que SS est continue sur R\mathbb{R}.
    2. Étudier la réciproque : si SS est continue sur R\mathbb{R}, la fonction ff l'est-elle nécessairement ?

1.

Pour la convergence, utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) en fixant xx.

2.

Pour la convergence uniforme, exploiter la majoration du reste fournie par le CSSA et étudier les variations de la fonction y↦y1+n2y2y \mapsto \frac{y}{\sqrt{1+n^2y^2}}.

3.

Pour la réciproque, introduire la fonction auxiliaire T(y)=∑n=0+∞(−1)ny1+n2y2T(y) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n y}{\sqrt{1+n^2y^2}} et montrer qu'elle définit un homéomorphisme de R\mathbb{R} sur son image.

Idées clés

•

Critère spécial des séries alternées et majoration du reste.

•

Théorème de continuité sous l'hypothèse de convergence uniforme.

•

Étude d'une fonction définie par une série comme composée de fonctions.

Résolution.

  1. Soit x∈Rx \in \mathbb{R} fixé. Posons y=f(x)y = f(x). Si y=0y = 0, alors un(x)=0u_n(x) = 0 pour tout nn, donc la série converge vers 0. Si y≠0y \neq 0, la suite (∣un(x)∣)n∈N(|u_n(x)|)_{n \in \mathbb{N}} est donnée par ∣y∣1+n2y2\frac{|y|}{\sqrt{1 + n^2 y^2}}. C'est une suite de réels positifs, décroissante vers 0. De plus, le terme général un(x)u_n(x) est alterné en signe. D'après le critère spécial des séries alternées (CSSA), la série ∑un(x)\sum u_n(x) converge.
    D=R\boxed{D = \mathbb{R}}

  2. Le CSSA nous donne une majoration du reste de la série. Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} et tout n∈Nn \in \mathbb{N} :
    ∣Rn(x)∣=∣∑k=n+1+∞uk(x)∣≤∣un+1(x)∣=∣f(x)∣1+(n+1)2f(x)2|R_n(x)| = \left| \sum_{k=n+1}^{+\infty} u_k(x) \right| \leq |u_{n+1}(x)| = \frac{|f(x)|}{\sqrt{1 + (n+1)^2 f(x)^2}}
    Posons gn+1(y)=y1+(n+1)2y2g_{n+1}(y) = \frac{y}{\sqrt{1 + (n+1)^2 y^2}} pour y≥0y \geq 0. La fonction gn+1g_{n+1} est croissante sur R+\mathbb{R}^+ car sa dérivée est :
    gn+1′(y)=1(1+(n+1)2y2)3/2>0g_{n+1}'(y) = \frac{1}{(1 + (n+1)^2 y^2)^{3/2}} > 0
    Par ailleurs, lim⁡y→+∞gn+1(y)=1n+1\lim_{y \to +\infty} g_{n+1}(y) = \frac{1}{n+1}. Ainsi, pour tout y∈Ry \in \mathbb{R}, on a ∣gn+1(y)∣<1n+1|g_{n+1}(y)| < \frac{1}{n+1}. On en déduit :
    ∀x∈R,∣Rn(x)∣≤1n+1\forall x \in \mathbb{R},   |R_n(x)| \leq \frac{1}{n+1}
    Le majorant ne dépend pas de xx et tend vers 0 quand n→+∞n \to +\infty.
    La seˊrie ∑un converge uniformeˊment sur R.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ converge uniformément sur } \mathbb{R}.}

    1. Chaque fonction unu_n est continue sur R\mathbb{R} comme composée et quotient de fonctions continues (le dénominateur ne s'annule jamais). Comme la série de fonctions continues converge uniformément sur R\mathbb{R}, sa somme SS est continue sur R\mathbb{R}.
    2. Posons T(y)=∑n=0+∞(−1)ny1+n2y2T(y) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n y}{\sqrt{1 + n^2 y^2}} pour y∈Ry \in \mathbb{R}. On a S=T∘fS = T \circ f. D'après les questions précédentes appliquées au cas f(y)=yf(y)=y, TT est continue sur R\mathbb{R}. Étudions la dérivabilité de TT sur R∗\mathbb{R}^*. Soit vn(y)=(−1)ny1+n2y2v_n(y) = \frac{(-1)^n y}{\sqrt{1 + n^2 y^2}}. On a :
      vn′(y)=(−1)n(1+n2y2)3/2v_n'(y) = \frac{(-1)^n}{(1 + n^2 y^2)^{3/2}}
      Pour tout a>0a > 0, la série ∑vn′\sum v_n' converge uniformément sur [a,+∞[[a, +\infty[ par le CSSA (le reste est majoré par 1(1+(n+1)2a2)3/2\frac{1}{(1+(n+1)^2a^2)^{3/2}}). Donc TT est C1\mathscr{C}^1 sur R∗\mathbb{R}^* et :
      T′(y)=∑n=0+∞(−1)n(1+n2y2)3/2T'(y) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{(1 + n^2 y^2)^{3/2}}
      Pour y≠0y \neq 0, cette série est alternée et vérifie le CSSA. La somme est comprise entre le premier terme (1) et la somme des deux premiers termes.
      ∀y≠0,1−1(1+y2)3/2<T′(y)<1\forall y \neq 0,   1 - \frac{1}{(1+y^2)^{3/2}} < T'(y) < 1
      Ainsi T′(y)>0T'(y) > 0 sur R∗\mathbb{R}^*. TT est donc strictement croissante et continue sur R\mathbb{R}. TT réalise une bijection de R\mathbb{R} sur I=T(R)I = T(\mathbb{R}). Son application réciproque T−1:I→RT^{-1} : I \to \mathbb{R} est continue. Si SS est continue, alors f=T−1∘Sf = T^{-1} \circ S est continue par composition.
      La reˊciproque est vraie.\boxed{\text{La réciproque est vraie.}}

Confondre convergence uniforme et normale.

Étude de la continuité de S = T o f via les propriétés de T.