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Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on définit un=∫1+∞e−tndtu_n = \int_1^{+\infty} e^{-t^n} \text{d}t. On s'intéresse à la fonction ff définie par la série entière f(x)=∑n=1+∞unxnf(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n x^n.

  1. Montrer que lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0.
  2. Donner un équivalent de unu_n lorsque n→+∞n \to +\infty.
  3. Déterminer le domaine de définition de ff.
  4. Déterminer la limite de ff en 1−1^-.

1.

Pour l'équivalent, utiliser le changement de variable u=tnu = t^n.

2.

Pour le domaine, utiliser la règle de d'Alembert ou les équivalents pour le rayon de convergence, puis tester les bornes.

3.

Pour la limite en 11, comparer avec la somme d'une série divergente.

Idées clés

•

Changement de variable dans une intégrale généralisée.

•

Rayon de convergence et comportement au bord.

•

Théorème de la limite monotone pour les séries.

Résolution.

  1. Pour t≥1t \geq 1, la suite t↦e−tnt \mapsto e^{-t^n} décroit simplement vers 0 sur ]1,+∞[]1, +\infty[. De plus, ∀n≥1,∣e−tn∣≤e−t\forall n \geq 1, |e^{-t^n}| \leq e^{-t}, qui est intégrable sur [1,+∞[[1, +\infty[. Par convergence dominée, lim⁡n→+∞un=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} u_n = 0}.

  2. Effectuons le changement de variable u=tnu = t^n, soit t=u1/nt = u^{1/n} et dt=1nu1/n−1du\text{d}t = \frac{1}{n} u^{1/n-1} \text{d}u :
    un=∫1+∞e−u1nu1n−1du=1n∫1+∞e−uu1n−1duu_n = \int_1^{+\infty} e^{-u} \frac{1}{n} u^{\frac{1}{n}-1} \text{d}u = \frac{1}{n} \int_1^{+\infty} e^{-u} u^{\frac{1}{n}-1} \text{d}u
    Posons gn(u)=e−uu1n−1g_n(u) = e^{-u} u^{\frac{1}{n}-1} sur [1,+∞[[1, +\infty[. La suite (gn)(g_n) converge simplement vers g:u↦e−uu−1g : u \mapsto e^{-u} u^{-1}. On a la domination ∣gn(u)∣≤e−u|g_n(u)| \leq e^{-u} pour u≥1u \geq 1. Par TCD :
    ∫1+∞gn(u)du→n→+∞∫1+∞e−uudu=C>0\int_1^{+\infty} g_n(u) \text{d}u \xrightarrow[n \to +\infty]{} \int_1^{+\infty} \frac{e^{-u}}{u} \text{d}u = C > 0
    Ainsi : un∼Cn\boxed{u_n \sim \frac{C}{n}} avec C=∫1+∞e−uuduC = \int_1^{+\infty} \frac{e^{-u}}{u} \text{d}u.

  3. Rayon de convergence : Comme un∼Cnu_n \sim \frac{C}{n}, le rayon de convergence de la série entière est R=1\boxed{R = 1}. Étude aux bornes :
    • En x=1x=1, ∑un\sum u_n diverge car un∼C/nu_n \sim C/n (série de Riemann divergente).
    • En x=−1x=-1, la série ∑(−1)nun\sum (-1)^n u_n converge d'après le critère spécial des séries alternées. En effet, un→0u_n \to 0 et (un)(u_n) est décroissante car tn≤tn+1t^n \leq t^{n+1} pour t≥1  ⟹  e−tn≥e−tn+1t \geq 1 \implies e^{-t^n} \geq e^{-t^{n+1}}.
    Le domaine de définition est donc Df=[−1,1[\boxed{D_f = [-1, 1[}.

  4. Puisque un≥0u_n \geq 0, ff est croissante sur [0,1[[0, 1[. Pour tout N∈NN \in \mathbb{N} et x∈[0,1[x \in [0, 1[, f(x)≥∑n=1Nunxnf(x) \geq \sum_{n=1}^N u_n x^n. En faisant tendre x→1−x \to 1^-, on a lim⁡x→1−f(x)≥∑n=1Nun\lim_{x \to 1^-} f(x) \geq \sum_{n=1}^N u_n. Ceci étant vrai pour tout NN, et la série ∑un\sum u_n divergeant vers +∞+\infty, on en déduit :
    lim⁡x→1−f(x)=+∞\boxed{\lim_{x \to 1^-} f(x) = +\infty}

Calcul rigoureux de l'équivalent de u_n avant de conclure sur le rayon

Lien entre équivalent des coefficients et comportement au bord d'une série entière