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Soit ss un nombre réel strictement supérieur à 11.

On considère la fonction SS définie, sous réserve d'existence, par la somme de la série de fonctions suivante :

S(t)=∑n=1+∞e−ntts−1S(t) = \sum_{n=1}^{+\infty} e^{-nt} t^{s-1}

  1. Justifier que la fonction SS est bien définie et continue sur ]0,+∞[]0, +\infty[.
  2. En utilisant un théorème d'intégration terme à terme, démontrer l'égalité suivante :
    ∫0+∞ts−1et−1 dt=Γ(s)ζ(s)\int_0^{+\infty} \frac{t^{s-1}}{e^t - 1}   \mathrm{d}t = \Gamma(s) \zeta(s)
    où l'on rappelle que Γ(s)=∫0+∞e−tts−1 dt\Gamma(s) = \int_0^{+\infty} e^{-t} t^{s-1}   \mathrm{d}t et ζ(s)=∑n=1+∞1ns\zeta(s) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^s}.

1.

Pour la question 1, identifier une série géométrique de raison e−te^{-t}.

2.

Pour la question 2, utiliser le théorème d'intégration terme à terme pour les fonctions positives ou vérifier la convergence de la série ∑∫∣fn∣\sum \int |f_n|.

3.

Effectuer le changement de variable u=ntu = nt dans l'intégrale définissant ∫0+∞e−ntts−1 dt\int_0^{+\infty} e^{-nt} t^{s-1}   \mathrm{d}t.

Idées clés

•

Théorème d'intégration terme à terme pour les séries de fonctions.

•

Manipulation de la fonction Gamma (intégrale à paramètre).

•

Sommation de séries géométriques.

Résolution.

  1. Étude de la convergence et de la somme.

    Soit t∈]0,+∞[t \in ]0, +\infty[. On pose fn(t)=e−ntts−1f_n(t) = e^{-nt} t^{s-1}.

    Pour t>0t > 0, on a 0<e−t<10 < e^{-t} < 1. La série ∑n≥1(e−t)n\sum_{n \ge 1} (e^{-t})^n est une série géométrique convergente.

    On en déduit que la série ∑fn(t)\sum f_n(t) converge simplement sur ]0,+∞[]0, +\infty[. Sa somme est donnée par :

    S(t)=ts−1∑n=1+∞(e−t)n=ts−1e−t1−e−t=ts−1et−1S(t) = t^{s-1} \sum_{n=1}^{+\infty} (e^{-t})^n = t^{s-1} \frac{e^{-t}}{1 - e^{-t}} = \frac{t^{s-1}}{e^t - 1}

  2. Intégration terme à terme.

    Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, les fonctions fnf_n sont continues et positives sur ]0,+∞[]0, +\infty[.

    Vérifions l'intégrabilité de chaque fonction fnf_n sur ]0,+∞[]0, +\infty[. Au voisinage de 00, fn(t)∼ts−1f_n(t) \sim t^{s-1}. Comme s>1s > 1, on a s−1>0s-1 > 0, donc fnf_n est prolongeable par continuité en 00. Au voisinage de +∞+\infty, par croissance comparée, t2fn(t)→0t^2 f_n(t) \to 0, donc fnf_n est intégrable.

    Calculons l'intégrale de fnf_n en effectuant le changement de variable linéaire u=ntu = nt, d'où dt=dun\mathrm{d}t = \frac{\mathrm{d}u}{n} :

    ∫0+∞fn(t) dt=∫0+∞e−u(un)s−1dun\int_0^{+\infty} f_n(t)   \mathrm{d}t = \int_0^{+\infty} e^{-u} \left(\frac{u}{n}\right)^{s-1} \frac{\mathrm{d}u}{n}

    En sortant les constantes de l'intégrale, nous obtenons :

    ∫0+∞fn(t) dt=1ns∫0+∞e−uus−1 du\int_0^{+\infty} f_n(t)   \mathrm{d}t = \frac{1}{n^s} \int_0^{+\infty} e^{-u} u^{s-1}   \mathrm{d}u

    On reconnaît l'expression de la fonction Gamma, soit :

    ∫0+∞fn(t) dt=Γ(s)ns\boxed{ \int_0^{+\infty} f_n(t)   \mathrm{d}t = \frac{\Gamma(s)}{n^s} }

    Puisque les fonctions fnf_n sont positives et continues par morceaux, nous pouvons appliquer le théorème d'intégration terme à terme (version convergence monotone ou corollaire du théorème de convergence dominée pour les séries positives).

    La série ∑∫0+∞fn\sum \int_0^{+\infty} f_n converge si et seulement si la série ∑Γ(s)ns\sum \frac{\Gamma(s)}{n^s} converge. Comme s>1s > 1, la série de Riemann ∑1ns\sum \frac{1}{n^s} converge, donc la série des intégrales converge.

    D'après le théorème d'intégration terme à terme :

    ∫0+∞(∑n=1+∞fn(t)) dt=∑n=1+∞∫0+∞fn(t) dt\int_0^{+\infty} \left( \sum_{n=1}^{+\infty} f_n(t) \right)   \mathrm{d}t = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^{+\infty} f_n(t)   \mathrm{d}t

    En remplaçant par les expressions obtenues précédemment :

    ∫0+∞ts−1et−1 dt=∑n=1+∞Γ(s)ns\int_0^{+\infty} \frac{t^{s-1}}{e^t - 1}   \mathrm{d}t = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{\Gamma(s)}{n^s}

    Par linéarité de la somme (car Γ(s)\Gamma(s) ne dépend pas de nn) :

    ∫0+∞ts−1et−1 dt=Γ(s)ζ(s)\boxed{ \int_0^{+\infty} \frac{t^{s-1}}{e^t - 1}   \mathrm{d}t = \Gamma(s) \zeta(s) }

Oublier de vérifier la convergence de la série des intégrales ou d'invoquer la positivité des fonctions.

Le lien entre Gamma et Zeta via l'intégration d'une série géométrique.