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Soit a=(an)n∈N∗a = (a_n)_{n \in \mathbb{N}^*} une suite de nombres complexes. On définit, là où elle converge, la fonction faf_a par :

fa(x)=∑n=1+∞annxf_a(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{a_n}{n^x}
On note Da={x∈R∣la seˊrie ∑ann−x converge}D_a = \{x \in \mathbb{R} \mid \text{la série } \sum a_n n^{-x} \text{ converge}\}. On suppose dans tout l'exercice que DaD_a est non vide.

  1. Montrer que faf_a admet une limite finie en +∞+\infty et déterminer sa valeur.
  2. Soit b=(bn)n∈N∗b = (b_n)_{n \in \mathbb{N}^*} une autre suite telle que Db≠∅D_b \neq \emptyset. On suppose qu'il existe un réel AA tel que pour tout x>Ax > A, fa(x)=fb(x)f_a(x) = f_b(x). Démontrer que les suites aa et bb sont identiques.
  3. On considère deux suites aa et bb dont les domaines de convergence DaD_a et DbD_b sont non vides. Déterminer explicitement une suite c=(cn)n∈N∗c = (c_n)_{n \in \mathbb{N}^*} telle qu'il existe un voisinage de +∞+\infty sur lequel :
    fa(x)fb(x)=fc(x)f_a(x) f_b(x) = f_c(x)

1.

Pour la limite, utiliser la convergence normale sur un intervalle de la forme [x0,+∞[[x_0, +\infty[.

2.

Pour l'unicité, procéder par l'absurde en considérant le plus petit indice n0n_0 tel que an0≠bn0a_{n_0} \neq b_{n_0}, puis multiplier par n0xn_0^x.

3.

Pour le produit, utiliser le produit de Cauchy pour les séries absolument convergentes et regrouper les termes n−xm−x=(nm)−xn^{-x} m^{-x} = (nm)^{-x}.

Idées clés

•

Convergence normale pour l'interversion limite-somme.

•

Comportement asymptotique dominé par le premier terme non nul.

•

Produit de Dirichlet (convolution de Dirichlet).

Résolution.

  1. Soit x0∈Dax_0 \in D_a. La suite (ann−x0)(a_n n^{-x_0}) est donc bornée par un réel M>0M > 0. Pour tout x≥x0+2x \ge x_0 + 2, on a l'estimation :
    ∣annx∣=∣annx0∣1nx−x0≤Mn2\left| \frac{a_n}{n^x} \right| = \left| \frac{a_n}{n^{x_0}} \right| \frac{1}{n^{x-x_0}} \le \frac{M}{n^2}
    La série ∑Mn2\sum \frac{M}{n^2} étant convergente, la série de fonctions définissant faf_a converge normalement sur [x0+2,+∞[[x_0+2, +\infty[. Par le théorème d'interversion limite-somme :
    lim⁡x→+∞fa(x)=∑n=1+∞lim⁡x→+∞annx\lim_{x \to +\infty} f_a(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \lim_{x \to +\infty} \frac{a_n}{n^x}
    Comme lim⁡x→+∞n−x=0\lim_{x \to +\infty} n^{-x} = 0 pour tout n≥2n \ge 2 et 1−x=11^{-x} = 1, on obtient :
    lim⁡x→+∞fa(x)=a1\boxed{\lim_{x \to +\infty} f_a(x) = a_1}

  2. Posons cn=an−bnc_n = a_n - b_n et fc(x)=fa(x)−fb(x)f_c(x) = f_a(x) - f_b(x). Par hypothèse, fc(x)=0f_c(x) = 0 pour x>Ax > A. Supposons par l'absurde que la suite cc ne soit pas nulle. Soit n0=min⁡{n∈N∗∣cn≠0}n_0 = \min \{ n \in \mathbb{N}^* \mid c_n \neq 0 \}. Alors pour tout xx assez grand :
    0=cn0n0x+∑n=n0+1+∞cnnx0 = \frac{c_{n_0}}{n_0^x} + \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} \frac{c_n}{n^x}
    En multipliant par n0xn_0^x, on obtient :
    cn0=−∑n=n0+1+∞cn(n0n)xc_{n_0} = - \sum_{n=n_0+1}^{+\infty} c_n \left( \frac{n_0}{n} \right)^x
    Or, pour n>n0n > n_0, on a 0<n0n≤n0n0+1<10 < \frac{n_0}{n} \le \frac{n_0}{n_0+1} < 1. En reprenant l'argument de la question 1, la somme à droite tend vers 00 quand x→+∞x \to +\infty (convergence normale). On en déduit par passage à la limite que cn0=0c_{n_0} = 0, ce qui contredit la définition de n0n_0.
    ∀n∈N∗,an=bn\boxed{\forall n \in \mathbb{N}^*, a_n = b_n}

  3. Supposons xx assez grand pour que les deux séries convergent absolument. Le produit est donné par :
    fa(x)fb(x)=(∑n=1+∞annx)(∑m=1+∞bmmx)f_a(x) f_b(x) = \left( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{a_n}{n^x} \right) \left( \sum_{m=1}^{+\infty} \frac{b_m}{m^x} \right)
    Par le théorème sur le produit de Cauchy des séries absolument convergentes, on peut sommer par paquets selon la valeur du produit k=nmk = nm :
    fa(x)fb(x)=∑k=1+∞(∑nm=kanbm)1kxf_a(x) f_b(x) = \sum_{k=1}^{+\infty} \left( \sum_{nm=k} a_n b_m \right) \frac{1}{k^x}
    En identifiant avec fc(x)=∑ckkxf_c(x) = \sum \frac{c_k}{k^x}, on obtient la suite cc définie par :
    ck=∑d∣kadbk/d\boxed{c_k = \sum_{d|k} a_d b_{k/d}}
    Cette opération est appelée le produit de convolution de Dirichlet.

Confusion entre convergence simple et convergence normale pour l'interversion limite-somme.

L'unicité des coefficients d'une série de Dirichlet et la formule de convolution de Dirichlet.