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Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite de fonctions définies sur l'intervalle [0,1][0, 1] par la relation de récurrence suivante :

u0(x)=1etnN,x[0,1], un+1(x)=0xun(tt2)dtu_{0}(x)=1   \text{et}   \forall n \in \mathbb{N}, \forall x \in [0, 1], \ u_{n+1}(x) = \int_{0}^{x} u_{n}(t-t^{2})   \mathrm{d}t

Démontrer que la série de fonctions un\sum u_n converge normalement sur [0,1][0, 1].

1.

Commencer par étudier les variations de la fonction ϕ:ttt2\phi : t \mapsto t-t^2 sur [0,1][0, 1] pour déterminer son image.

2.

Chercher une majoration de la norme infinie de unu_n sur un intervalle plus restreint que [0,1][0, 1], par exemple sur l'image de ϕ\phi.

3.

En déduire une majoration de un+1,[0,1]\|u_{n+1}\|_{\infty, [0, 1]} en fonction de un,[0,1/4]\|u_{n}\|_{\infty, [0, 1/4]}.

Idées clés

Étude de l'image de l'argument tt2t-t^2 pour restreindre le domaine d'étude.

Utilisation d'une suite géométrique majorante pour prouver la convergence normale.

Inégalité de la moyenne sur l'intégrale.

Résolution.

Considérons la fonction ϕ\phi définie sur [0,1][0, 1] par ϕ(t)=tt2\phi(t) = t - t^2. Il s'agit d'un polynôme du second degré dont le maximum est atteint en t=1/2t = 1/2.

On calcule ϕ(1/2)=1/21/4=1/4\phi(1/2) = 1/2 - 1/4 = 1/4. Comme ϕ(0)=0\phi(0) = 0 et ϕ(1)=0\phi(1) = 0, et que ϕ\phi est continue, l'image de l'intervalle [0,1][0, 1] par ϕ\phi est :

ϕ([0,1])=[0,14]\phi([0, 1]) = \left[ 0, \frac{1}{4} \right]

Posons, pour tout nNn \in \mathbb{N}, Mn=un,[0,1/4]=supx[0,1/4]un(x)M_n = \|u_n\|_{\infty, [0, 1/4]} = \sup_{x \in [0, 1/4]} |u_n(x)|.

Étape 1 : Majoration sur [0,1/4][0, 1/4].

Soit nNn \in \mathbb{N} et x[0,1/4]x \in [0, 1/4]. On a par définition :

un+1(x)=0xun(tt2)dt0xun(tt2)dt|u_{n+1}(x)| = \left| \int_{0}^{x} u_{n}(t-t^{2})   \mathrm{d}t \right| \leq \int_{0}^{x} |u_{n}(t-t^{2})|   \mathrm{d}t

Puisque x[0,1/4]x \in [0, 1/4], pour tout t[0,x]t \in [0, x], on a t[0,1/4]t \in [0, 1/4]. D'après l'étude de ϕ\phi, on sait que si t[0,1/4]t \in [0, 1/4], alors ϕ(t)=tt2[0,1/4]\phi(t) = t-t^2 \in [0, 1/4] (car ϕ\phi est croissante sur [0,1/2][0, 1/2] et ϕ(1/4)=3/16<1/4\phi(1/4) = 3/16 < 1/4).

Ainsi, un(tt2)Mn|u_n(t-t^2)| \leq M_n pour tout t[0,x]t \in [0, x]. On en déduit :

un+1(x)0xMndt=xMn14Mn|u_{n+1}(x)| \leq \int_{0}^{x} M_n   \mathrm{d}t = x M_n \leq \frac{1}{4} M_n

En passant au supremum sur [0,1/4][0, 1/4], on obtient la relation de récurrence :

Mn+114Mn\boxed{M_{n+1} \leq \frac{1}{4} M_n}

Par une récurrence immédiate, comme M0=supx[0,1/4]1=1M_0 = \sup_{x \in [0, 1/4]} |1| = 1, nous avons :

nN, Mn(14)n\boxed{\forall n \in \mathbb{N}, \ M_n \leq \left( \frac{1}{4} \right)^n}

Étape 2 : Majoration sur [0,1][0, 1].

Soit maintenant x[0,1]x \in [0, 1]. On a :

un+1(x)0xun(tt2)dt|u_{n+1}(x)| \leq \int_{0}^{x} |u_{n}(t-t^2)|   \mathrm{d}t

Pour tout t[0,x][0,1]t \in [0, x] \subset [0, 1], on sait que tt2[0,1/4]t-t^2 \in [0, 1/4]. Par conséquent, un(tt2)Mn|u_n(t-t^2)| \leq M_n d'après la définition de MnM_n.

Il vient alors :

un+1(x)0xMndt=xMn1Mn=Mn|u_{n+1}(x)| \leq \int_{0}^{x} M_n   \mathrm{d}t = x M_n \leq 1 \cdot M_n = M_n

En utilisant le résultat de l'étape 1, on obtient pour tout x[0,1]x \in [0, 1] :

un+1(x)(14)n|u_{n+1}(x)| \leq \left( \frac{1}{4} \right)^n

Ceci montre que la norme infinie de un+1u_{n+1} sur [0,1][0, 1] est majorée par le terme général d'une série géométrique convergente :

un+1,[0,1](14)n\boxed{\|u_{n+1}\|_{\infty, [0, 1]} \leq \left( \frac{1}{4} \right)^n}

La série numérique (14)n\sum \left( \frac{1}{4} \right)^n converge, donc par comparaison, la série de fonctions un\sum u_n converge normalement sur [0,1][0, 1].

Vouloir majorer brutalement sur [0,1] sans utiliser la restriction de l'image de l'argument.

Utiliser la stabilité d'un sous-intervalle pour obtenir un facteur de contraction dans les définitions récursives.