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Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^* et tout x∈R+∗x \in \mathbb{R}_+^*, on considère la fonction fnf_n définie par :

fn(x)=1n2x+nf_n(x) = \frac{1}{n^2x + n}

  1. Justifier que la fonction S:x↦∑n=1+∞fn(x)S : x \mapsto \sum_{n=1}^{+\infty} f_n(x) est bien définie sur R+∗\mathbb{R}_+^*.
  2. Montrer que SS est de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur R+∗\mathbb{R}_+^*.
  3. Déterminer la limite de SS en +∞+\infty, puis en donner un équivalent.
  4. Déterminer un équivalent de S(x)S(x) lorsque x→0+x \to 0^+.

1.

Pour la convergence simple, comparer fn(x)f_n(x) à une série de Riemann.

2.

Pour la classe C∞\mathcal{C}^\infty, utiliser le théorème de dérivation sous le signe somme en travaillant sur des segments [a,b]⊂R+∗[a, b] \subset \mathbb{R}_+^*.

3.

En +∞+\infty, on peut utiliser la convergence dominée pour les séries ou un encadrement.

4.

Pour l'équivalent en 0+0^+, effectuer une comparaison avec une intégrale.

Idées clés

•

Convergence simple par comparaison locale (n→∞n \to \infty).

•

Convergence normale des dérivées sur tout segment [a,+∞[[a, +\infty[.

•

Comparaison série-intégrale pour les comportements aux bornes.

Résolution.

  1. Soit x>0x > 0. Lorsque n→+∞n \to +\infty, on a :
    fn(x)=1n2x+n∼1n2xf_n(x) = \frac{1}{n^2x + n} \sim \frac{1}{n^2 x}
    Comme la série de Riemann ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} converge, par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑fn(x)\sum f_n(x) converge.
    S est bien deˊfinie sur R+∗\boxed{S \text{ est bien définie sur } \mathbb{R}_+^*}

  2. Les fonctions fnf_n sont de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur R+∗\mathbb{R}_+^*. Pour tout k∈Nk \in \mathbb{N}, la dérivée kk-ième est :
    fn(k)(x)=(−1)kk!n2k(n2x+n)k+1f_n^{(k)}(x) = \frac{(-1)^k k! n^{2k}}{(n^2x + n)^{k+1}}
    Soit a>0a > 0. Pour tout x∈[a,+∞[x \in [a, +\infty[, on a ∣n2x+n∣≥n2a|n^2x + n| \geq n^2a. Ainsi :
    ∣fn(k)(x)∣≤k!n2k(n2a)k+1=k!ak+1n2|f_n^{(k)}(x)| \leq \frac{k! n^{2k}}{(n^2a)^{k+1}} = \frac{k!}{a^{k+1} n^2}
    La série ∑fn(k)\sum f_n^{(k)} converge normalement sur tout intervalle [a,+∞[[a, +\infty[. Par théorème de dérivation sous le signe somme, SS est de classe C∞\mathcal{C}^\infty sur chaque [a,+∞[[a, +\infty[, donc sur R+∗\mathbb{R}_+^*.

  3. Pour x>0x > 0, on a 0≤fn(x)≤1n2x0 \leq f_n(x) \leq \frac{1}{n^2x}. En sommant :
    0≤S(x)≤1x∑n=1+∞1n20 \leq S(x) \leq \frac{1}{x} \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2}
    Par encadrement, lim⁡x→+∞S(x)=0\lim_{x \to +\infty} S(x) = 0. De plus, xS(x)=∑n=1+∞xn2x+n=∑n=1+∞1n2+n/xx S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x}{n^2x+n} = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2 + n/x}. Pour x≥1x \geq 1, 1n2+n/x≤1n2\frac{1}{n^2 + n/x} \leq \frac{1}{n^2}, terme général d'une série convergente. Par convergence dominée (version séries), lim⁡x→+∞xS(x)=∑n=1+∞1n2=ζ(2)\lim_{x \to +\infty} x S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \zeta(2).
    S(x)∼x→+∞π26x\boxed{S(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{\pi^2}{6x}}

  4. Pour xx fixé, la fonction t↦1t2x+tt \mapsto \frac{1}{t^2x+t} est décroissante sur [1,+∞[[1, +\infty[. Par comparaison série-intégrale :
    ∫1+∞dtt2x+t≤S(x)≤f1(x)+∫1+∞dtt2x+t\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^2x+t} \leq S(x) \leq f_1(x) + \int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^2x+t}
    Calculons l'intégrale : 1t2x+t=1t(tx+1)=1t−xtx+1\frac{1}{t^2x+t} = \frac{1}{t(tx+1)} = \frac{1}{t} - \frac{x}{tx+1}.
    ∫1A(1t−xtx+1)dt=[ln⁡(ttx+1)]1A=ln⁡(AAx+1)−ln⁡(1x+1)\int_1^{A} \left( \frac{1}{t} - \frac{x}{tx+1} \right) dt = \left[ \ln\left(\frac{t}{tx+1}\right) \right]_1^A = \ln\left(\frac{A}{Ax+1}\right) - \ln\left(\frac{1}{x+1}\right)
    En faisant tendre A→+∞A \to +\infty, l'intégrale vaut ln⁡(1/x)+ln⁡(x+1)=−ln⁡x+ln⁡(1+x)\ln(1/x) + \ln(x+1) = -\ln x + \ln(1+x). Comme ln⁡(1+x)→0\ln(1+x) \to 0 et f1(x)→1f_1(x) \to 1 quand x→0+x \to 0^+, ils sont négligeables devant −ln⁡x-\ln x.
    S(x)∼x→0+−ln⁡x\boxed{S(x) \underset{x \to 0^+}{\sim} -\ln x}

Convergence normale locale vs globale

Comparaison intégrale pour les équivalents