On considère la série de fonctions définie sur par le terme général suivant :
Pour la somme, identifier une série géométrique pour .
Pour la convergence uniforme sur , étudier la continuité de la somme en examinant sa limite en .
Pour la convergence sur , chercher une majoration du reste ou utiliser la convergence normale.
Sommation d'une série géométrique.
Théorème de continuité de la somme : si la convergence est uniforme et les sont continues, alors la somme est continue.
Convergence normale comme condition suffisante de convergence uniforme.
Résolution.
Soit .
Si , alors pour tout , . La série est une série nulle, elle converge donc vers .
Si , alors . On reconnaît alors, à un facteur près, le reste d'une série géométrique de raison . La série converge simplement et sa somme est :
En utilisant la formule de la somme d'une série géométrique pour :
Pour , on peut simplifier cette expression en multipliant par au numérateur et au dénominateur :
Toutes les fonctions sont continues sur . Si la série convergeait uniformément sur , alors la somme serait continue sur cet intervalle.
Analysons la limite de en . Au voisinage de , nous avons les développements limités suivants :
Ainsi, par quotient d'équivalents :
On en déduit :
Or, nous avons calculé précédemment que . Comme la limite à droite en est différente de la valeur en , la fonction n'est pas continue en .
\boxed{ \text{La convergence n'est donc pas uniforme sur } [0, +\infty[. }
Soit . Pour tout , nous avons la majoration suivante en valeur absolue :
Comme , on peut poser . Pour tout :
Puisque , on a . La série numérique est une série géométrique convergente. Par conséquent, la série de fonctions converge normalement sur .
\boxed{ \text{La convergence normale implique la convergence uniforme sur } [a, +\infty[. }
Discontinuité de la somme en la borne du domaine.
Le lien entre continuité de la somme et convergence uniforme.