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Soit aa un réel appartenant à l'intervalle ]−1,1[]-1, 1[. On définit sur R\mathbb{R} la fonction ff par la relation :

f(x)=∑n=0+∞sin⁡(anx)f(x) = \sum_{n = 0}^{+\infty} \sin(a^n x)

  1. Démontrer que la fonction ff est de classe C∞\mathscr{C}^\infty sur R\mathbb{R}.
  2. Pour tout entier k∈N∗k \in \mathbb{N}^* et pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, établir l'inégalité suivante :
    ∣f(k)(x)∣⩽11−∣a∣|f^{(k)}(x)| \leqslant \frac{1}{1 - |a|}
  3. En déduire que la fonction ff est développable en série entière sur R\mathbb{R}.

1.

Pour la régularité, étudier la convergence normale de la série des dérivées kk-ièmes sur R\mathbb{R}.

2.

Utiliser la majoration ∣sin⁡(θ)∣⩽1|\sin(\theta)| \leqslant 1 et les propriétés des séries géométriques. Remarquer que pour ∣a∣<1|a| < 1 et k⩾1k \geqslant 1, on a ∣a∣k⩽∣a∣|a|^k \leqslant |a|.

3.

Appliquer l'inégalité de Taylor-Lagrange ou la formule de Taylor avec reste intégral pour montrer que le reste tend vers 0 lorsque nn tend vers l'infini.

Idées clés

•

Théorème de dérivation des séries de fonctions (convergence normale des dérivées).

•

Majoration uniforme des dérivées pour prouver l'analyticité.

•

Formule de Taylor avec reste intégral pour le développement en série entière.

Résolution.

  1. Posons un(x)=sin⁡(anx)u_n(x) = \sin(a^n x) pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et x∈Rx \in \mathbb{R}. Chaque fonction unu_n est de classe C∞\mathscr{C}^\infty sur R\mathbb{R}. Pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, la dérivée kk-ième de unu_n est :
    un(k)(x)=anksin⁡(anx+kπ2)u_n^{(k)}(x) = a^{nk} \sin\left(a^n x + \frac{k\pi}{2}\right)
    On peut alors majorer la norme infinie de un(k)u_n^{(k)} sur R\mathbb{R} :
    ∥un(k)∥∞=sup⁡x∈R∣anksin⁡(anx+kπ2)∣=∣a∣nk\|u_n^{(k)}\|_\infty = \sup_{x \in \mathbb{R}} |a^{nk} \sin\left(a^n x + \frac{k\pi}{2}\right)| = |a|^{nk}
    Puisque ∣a∣<1|a| < 1, pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*, la série géométrique ∑(∣a∣k)n\sum (|a|^k)^n converge car ∣a∣k<1|a|^k < 1. La série de fonctions ∑un(k)\sum u_n^{(k)} converge donc normalement (et donc uniformément) sur R\mathbb{R} pour tout k∈N∗k \in \mathbb{N}^*. Comme de plus la série ∑un\sum u_n converge simplement (par exemple car ∣un(x)∣⩽∣a∣n∣x∣|u_n(x)| \leqslant |a|^n |x|), le théorème de dérivation des séries de fonctions s'applique à tout ordre.
    f∈C∞(R,R)\boxed{f \in \mathscr{C}^\infty(\mathbb{R}, \mathbb{R})}

  2. Soit k∈N∗k \in \mathbb{N}^*. En dérivant terme à terme la série, on a pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} :
    f(k)(x)=∑n=0+∞anksin⁡(anx+kπ2)f^{(k)}(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a^{nk} \sin\left(a^n x + \frac{k\pi}{2}\right)
    En utilisant l'inégalité triangulaire :
    ∣f(k)(x)∣⩽∑n=0+∞∣a∣nk|f^{(k)}(x)| \leqslant \sum_{n=0}^{+\infty} |a|^{nk}
    Puisque k⩾1k \geqslant 1 et ∣a∣<1|a| < 1, on a ∣a∣k⩽∣a∣|a|^k \leqslant |a|. On en déduit :
    ∑n=0+∞(∣a∣k)n⩽∑n=0+∞∣a∣n\sum_{n=0}^{+\infty} (|a|^k)^n \leqslant \sum_{n=0}^{+\infty} |a|^n
    En reconnaissant la somme d'une série géométrique :
    ∀x∈R, ∣f(k)(x)∣⩽11−∣a∣\boxed{\forall x \in \mathbb{R}, \ |f^{(k)}(x)| \leqslant \frac{1}{1 - |a|}}

  3. Pour montrer que ff est développable en série entière sur R\mathbb{R}, utilisons la formule de Taylor avec reste intégral entre 00 et xx :
    f(x)=∑k=0nf(k)(0)k!xk+Rn(x)ouˋRn(x)=∫0x(x−t)nn!f(n+1)(t) dtf(x) = \sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(0)}{k!} x^k + R_n(x)   \text{où}   R_n(x) = \int_0^x \frac{(x-t)^n}{n!} f^{(n+1)}(t)   dt
    D'après la question précédente, ∣f(n+1)(t)∣⩽M|f^{(n+1)}(t)| \leqslant M avec M=11−∣a∣M = \frac{1}{1-|a|}. Supposons x⩾0x \geqslant 0. Par croissance de l'intégrale :
    ∣Rn(x)∣⩽M∫0x(x−t)nn! dt=M[−(x−t)n+1(n+1)!]0x=Mxn+1(n+1)!|R_n(x)| \leqslant M \int_0^x \frac{(x-t)^n}{n!}   dt = M \left[ -\frac{(x-t)^{n+1}}{(n+1)!} \right]_0^x = M \frac{x^{n+1}}{(n+1)!}
    Le même raisonnement pour x<0x < 0 donne ∣Rn(x)∣⩽M∣x∣n+1(n+1)!|R_n(x)| \leqslant M \frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}. Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} fixé, par croissance comparée :
    lim⁡n→+∞∣x∣n+1(n+1)!=0\lim_{n \to +\infty} \frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!} = 0
    Par conséquent, lim⁡n→+∞Rn(x)=0\lim_{n \to +\infty} R_n(x) = 0. La série de Taylor de ff en 00 converge donc vers f(x)f(x) pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}.
    f est deˊveloppable en seˊrie entieˋre sur R\boxed{f \text{ est développable en série entière sur } \mathbb{R}}

Croire que la somme de fonctions analytiques est analytique sans vérification de la convergence du reste.

Une majoration uniforme des dérivées successives assure le caractère analytique d'une fonction.