WikiPrépaLivrets

On considère la série de fonctions fn\sum f_n définie sur R+\mathbb{R}_+ par le terme général suivant :

fn(x)=sin(x)enxpour nNf_n(x) = \sin(x)e^{-nx}   \text{pour } n \in \mathbb{N}^*

  1. Justifier que la série de fonctions fn\sum f_n converge simplement sur R+\mathbb{R}_+ et déterminer l'expression de sa somme, notée S(x)S(x).
  2. La convergence de cette série est-elle uniforme sur l'intervalle [0,+[[0, +\infty[ ?
  3. Démontrer que la série converge uniformément sur tout intervalle de la forme [a,+[[a, +\infty[a>0a > 0.

1.

Pour la somme, identifier une série géométrique pour x>0x > 0.

2.

Pour la convergence uniforme sur R+\mathbb{R}_+, étudier la continuité de la somme SS en examinant sa limite en 0+0^+.

3.

Pour la convergence sur [a,+[[a, +\infty[, chercher une majoration du reste ou utiliser la convergence normale.

Idées clés

Sommation d'une série géométrique.

Théorème de continuité de la somme : si la convergence est uniforme et les fnf_n sont continues, alors la somme est continue.

Convergence normale comme condition suffisante de convergence uniforme.

Résolution.

  1. Convergence simple et calcul de la somme.

    Soit xR+x \in \mathbb{R}_+.

    Si x=0x = 0, alors pour tout n1n \geq 1, fn(0)=sin(0)e0=0f_n(0) = \sin(0)e^0 = 0. La série fn(0)\sum f_n(0) est une série nulle, elle converge donc vers 00.

    S(0)=0\boxed{ S(0) = 0 }

    Si x>0x > 0, alors 0<ex<10 < e^{-x} < 1. On reconnaît alors, à un facteur sin(x)\sin(x) près, le reste d'une série géométrique de raison exe^{-x}. La série converge simplement et sa somme est :

    S(x)=n=1+sin(x)enx=sin(x)n=1+(ex)nS(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \sin(x) e^{-nx} = \sin(x) \sum_{n=1}^{+\infty} (e^{-x})^n

    En utilisant la formule de la somme d'une série géométrique n=1qn=q1q\sum_{n=1}^\infty q^n = \frac{q}{1-q} pour q<1|q|<1 :

    S(x)=sin(x)ex1exS(x) = \sin(x) \frac{e^{-x}}{1 - e^{-x}}

    Pour x>0x > 0, on peut simplifier cette expression en multipliant par ex/2e^{x/2} au numérateur et au dénominateur :

    S(x)=sin(x)ex1\boxed{ S(x) = \frac{\sin(x)}{e^x - 1} }

  2. Étude de la convergence uniforme sur [0,+[[0, +\infty[.

    Toutes les fonctions fnf_n sont continues sur [0,+[[0, +\infty[. Si la série convergeait uniformément sur [0,+[[0, +\infty[, alors la somme SS serait continue sur cet intervalle.

    Analysons la limite de SS en 0+0^+. Au voisinage de 00, nous avons les développements limités suivants :

    sin(x)=x+o(x)etex1=x+o(x)\sin(x) = x + o(x)   \text{et}   e^x - 1 = x + o(x)

    Ainsi, par quotient d'équivalents :

    S(x)x0+xx=1S(x) \sim_{x \to 0^+} \frac{x}{x} = 1

    On en déduit :

    limx0+S(x)=1\lim_{x \to 0^+} S(x) = 1

    Or, nous avons calculé précédemment que S(0)=0S(0) = 0. Comme la limite à droite en 00 est différente de la valeur en 00, la fonction SS n'est pas continue en 00.

    \boxed{ \text{La convergence n'est donc pas uniforme sur } [0, +\infty[. }

  3. Convergence uniforme sur [a,+[[a, +\infty[.

    Soit a>0a > 0. Pour tout x[a,+[x \in [a, +\infty[, nous avons la majoration suivante en valeur absolue :

    fn(x)=sin(x)enxenx|f_n(x)| = |\sin(x)| e^{-nx} \leq e^{-nx}

    Comme sin(x)1|\sin(x)| \leq 1, on peut poser un=enau_n = e^{-na}. Pour tout xax \geq a :

    fn(x)(ea)n|f_n(x)| \leq (e^{-a})^n

    Puisque a>0a > 0, on a 0<ea<10 < e^{-a} < 1. La série numérique (ea)n\sum (e^{-a})^n est une série géométrique convergente. Par conséquent, la série de fonctions fn\sum f_n converge normalement sur [a,+[[a, +\infty[.

    \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.