Pour tout entier naturel n∈N∗, on considère la fonction un définie par :
un(x)=(−1)nln(1+n(x2+2)x2−1)
Déterminer le domaine de définition DS de la fonction somme S:x↦∑n=1+∞un(x).
Étudier la continuité de la fonction S sur DS.
Déterminer la limite de S(x) lorsque x tend vers ±∞.
1.
Pour le domaine de définition, vérifier d'abord que chaque un est bien définie, puis utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence de la série.
2.
Pour la continuité, montrer la convergence uniforme sur R en utilisant la majoration du reste d'une série alternée.
3.
Pour la limite en l'infini, justifier l'interversion limite-somme. La somme numérique obtenue peut être calculée en utilisant des produits partiels et l'équivalent de Stirling ou les intégrales de Wallis.
Idées clés
•
Critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence simple et uniforme.
•
Théorème de continuité des séries de fonctions.
•
Théorème d'interversion limite-somme.
•
Formule de Stirling pour le calcul de la somme finale.
1. Domaine de définition.
Soit n∈N∗ et x∈R. Posons vn(x)=n(x2+2)x2−1.
Pour que un(x) soit défini, il faut que 1+vn(x)>0. Or :
Comme n≥1, on a 2n−1≥1, donc le numérateur est strictement positif pour tout x∈R.
Ainsi, chaque fonction un est définie et continue sur R.
Étudions la convergence de la série ∑un(x) à x fixé.
Si x2=1, alors un(x)=0, la série converge.
Si x2=1, effectuons un développement limité quand n→+∞ :
La série ∑n(−1)n converge par le CSSA et la série des restes en O(1/n2) converge absolument.
On en déduit que la série converge pour tout x∈R.
DS=R
2. Étude de la continuité.
Notons a(x)=x2+2x2−1. On remarque que pour tout x∈R, −1/2≤a(x)<1.
un(x)=(−1)nln(1+na(x)).
Premier cas :x2≥1, soit a(x)∈[0,1[.
Pour tout n≥1, la suite (∣un(x)∣)n≥1=(ln(1+na(x)))n≥1 est positive, décroissante et tend vers 0.
D'après le CSSA, le reste Rn(x) vérifie :
∣Rn(x)∣≤∣un+1(x)∣≤ln(1+n+11)
Second cas :x2<1, soit a(x)∈[−1/2,0[.
On a ∣un(x)∣=∣ln(1+na(x))∣=−ln(1+na(x)).
La fonction t↦−ln(1+t) étant décroissante sur ]−1,0], et n↦na(x) étant croissante vers 0, la suite (∣un(x)∣) est décroissante vers 0.
Le CSSA s'applique encore :
Dans les deux cas, le reste Rn est majoré par une suite indépendante de x qui tend vers 0.
La série de fonctions converge donc uniformément sur R.
Comme chaque un est continue sur R, la somme S est continue sur R.
S∈C0(R,R)
3. Calcul de la limite en l'infini.
Puisque la série converge uniformément sur R, nous pouvons intervertir la limite et la somme :
Ainsi, limN→+∞S2N=ln(2/π). La série convergeant, c'est la valeur de sa somme.
x→±∞limS(x)=ln(π2)
L'interversion limite-somme nécessite impérativement de vérifier la convergence uniforme. Ici, la convergence normale ne fonctionne pas car |u_n(x)| ~ 1/n, dont la série diverge.
Pour une série alternée où le terme général tend vers 0 de façon monotone, la convergence uniforme peut être établie via la majoration du reste.