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Soient (an)n∈N(a_n)_{n\in\mathbb{N}} et (bn)n∈N(b_n)_{n\in\mathbb{N}} deux suites de nombres réels. On définit, pour tout n∈Nn \in \mathbb{N} et tout x∈Rx \in \mathbb{R}, la fonction :

un(x)=ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)u_n(x) = a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx)

  1. On suppose que lim⁡n→+∞an=0\lim_{n \to +\infty} a_n = 0 et lim⁡n→+∞bn=0\lim_{n \to +\infty} b_n = 0. Démontrer que la suite de fonctions (un)(u_n) converge uniformément vers la fonction nulle sur R\mathbb{R}.

  2. On suppose qu'il existe un intervalle [u,v][u, v] avec u<vu < v tel que (un)(u_n) converge uniformément vers 0 sur [u,v][u, v]. Établir que les suites (an)(a_n) et (bn)(b_n) convergent vers 0.

  3. On suppose désormais uniquement que la suite (un)(u_n) converge simplement vers 0 sur un intervalle [u,v][u, v] (u<vu < v). En utilisant le théorème de convergence dominée sur une suite de fonctions judicieusement choisie, démontrer que l'on a encore lim⁡n→+∞an=0\lim_{n \to +\infty} a_n = 0 et lim⁡n→+∞bn=0\lim_{n \to +\infty} b_n = 0.

1.

Pour la question 1, utiliser l'inégalité triangulaire et la majoration des fonctions sinus et cosinus par 1 pour obtenir une majoration de la norme infinie indépendante de xx.

2.

Pour la question 2, considérer l'intégrale In=∫uvun(x)2 dxI_n = \int_u^v u_n(x)^2   dx. On pourra linéariser un(x)2u_n(x)^2 et utiliser le lemme de Riemann-Lebesgue ou un calcul direct pour montrer que In∼v−u2(an2+bn2)I_n \sim \frac{v-u}{2}(a_n^2 + b_n^2).

3.

Pour la question 3, raisonner par l'absurde. Si (an,bn)(a_n, b_n) ne tend pas vers (0,0)(0,0), on peut considérer la suite de fonctions vn(x)=un(x)2an2+bn2v_n(x) = \frac{u_n(x)^2}{a_n^2 + b_n^2}, qui est bornée, et appliquer le théorème de convergence dominée.

Idées clés

•

Majoration uniforme par la norme 1 des coefficients.

•

Utilisation de la norme L2L^2 (intégrale du carré) pour lier la convergence de la fonction à celle des coefficients.

•

Théorème de convergence dominée pour passer de la convergence simple à la convergence des intégrales.

Résolution.

  1. Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, on a par l'inégalité triangulaire :
    ∣un(x)∣=∣ancos⁡(nx)+bnsin⁡(nx)∣≤∣an∣⋅∣cos⁡(nx)∣+∣bn∣⋅∣sin⁡(nx)∣|u_n(x)| = |a_n \cos(nx) + b_n \sin(nx)| \leq |a_n| \cdot |\cos(nx)| + |b_n| \cdot |\sin(nx)|
    Comme ∣cos⁡∣≤1|\cos| \leq 1 et ∣sin⁡∣≤1|\sin| \leq 1, on en déduit :
    ∀x∈R,∣un(x)∣≤∣an∣+∣bn∣\forall x \in \mathbb{R},   |u_n(x)| \leq |a_n| + |b_n|
    Ainsi, la norme infinie de unu_n sur R\mathbb{R} vérifie :
    0≤∥un∥∞≤∣an∣+∣bn∣0 \leq \|u_n\|_\infty \leq |a_n| + |b_n|
    Par l'hypothèse lim⁡an=0\lim a_n = 0 et lim⁡bn=0\lim b_n = 0 et le théorème des gendarmes, on conclut :
    lim⁡n→+∞∥un∥∞=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} \|u_n\|_\infty = 0}

  2. Supposons que un→0u_n \to 0 uniformément sur [u,v][u, v]. Alors ∫uvun(x)2 dx→n→+∞0\int_u^v u_n(x)^2   dx \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0. Calculons cette intégrale. En développant le carré :
    un(x)2=an2cos⁡2(nx)+bn2sin⁡2(nx)+2anbncos⁡(nx)sin⁡(nx)u_n(x)^2 = a_n^2 \cos^2(nx) + b_n^2 \sin^2(nx) + 2 a_n b_n \cos(nx) \sin(nx)
    En utilisant les formules de linéarisation cos⁡2(θ)=1+cos⁡(2θ)2\cos^2(\theta) = \frac{1+\cos(2\theta)}{2} et sin⁡2(θ)=1−cos⁡(2θ)2\sin^2(\theta) = \frac{1-\cos(2\theta)}{2}, il vient :
    un(x)2=an2+bn22+an2−bn22cos⁡(2nx)+anbnsin⁡(2nx)u_n(x)^2 = \frac{a_n^2+b_n^2}{2} + \frac{a_n^2-b_n^2}{2}\cos(2nx) + a_n b_n \sin(2nx)
    En intégrant sur [u,v][u, v] :
    ∫uvun(x)2dx=an2+bn22(v−u)+an2−bn22∫uvcos⁡(2nx)dx+anbn∫uvsin⁡(2nx)dx\int_u^v u_n(x)^2 dx = \frac{a_n^2+b_n^2}{2}(v-u) + \frac{a_n^2-b_n^2}{2} \int_u^v \cos(2nx) dx + a_n b_n \int_u^v \sin(2nx) dx
    Les intégrales ∫uvcos⁡(2nx)dx\int_u^v \cos(2nx) dx et ∫uvsin⁡(2nx)dx\int_u^v \sin(2nx) dx tendent vers 0 quand n→+∞n \to +\infty (calcul direct ou lemme de Riemann-Lebesgue). Notons ϵn\epsilon_n la somme des deux derniers termes. On a :
    ∫uvun(x)2dx=v−u2(an2+bn2)+o(an2+bn2)\int_u^v u_n(x)^2 dx = \frac{v-u}{2}(a_n^2+b_n^2) + o(a_n^2+b_n^2)
    Puisque l'intégrale tend vers 0 et que v−u>0v-u > 0, la seule possibilité est que an2+bn2→0a_n^2+b_n^2 \to 0, ce qui implique :
    lim⁡n→+∞an=0etlim⁡n→+∞bn=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} a_n = 0   \text{et}   \lim_{n \to +\infty} b_n = 0}

  3. Supposons par l'absurde que la suite de vecteurs ((an,bn))n((a_n, b_n))_n ne converge pas vers (0,0)(0,0). Il existe alors une sous-suite (nk)(n_k) et ϵ>0\epsilon > 0 tels que ∀k, ank2+bnk2≥ϵ\forall k,   a_{n_k}^2 + b_{n_k}^2 \geq \epsilon. Posons wk(x)=unk(x)2ank2+bnk2w_k(x) = \frac{u_{n_k}(x)^2}{a_{n_k}^2 + b_{n_k}^2} pour x∈[u,v]x \in [u, v].
    • Convergence simple : Pour tout x∈[u,v]x \in [u, v], unk(x)→0u_{n_k}(x) \to 0 (hypothèse de convergence simple). Comme le dénominateur est minoré par ϵ\epsilon, on a wk(x)→k→+∞0w_k(x) \xrightarrow[k \to +\infty]{} 0.
    • Domination : On a unk(x)2≤(∣ank∣+∣bnk∣)2≤2(ank2+bnk2)u_{n_k}(x)^2 \leq ( |a_{n_k}| + |b_{n_k}| )^2 \leq 2(a_{n_k}^2 + b_{n_k}^2) par l'inégalité de Cauchy-Schwarz ou la convexité. Ainsi, ∣wk(x)∣≤2|w_k(x)| \leq 2. La suite (wk)(w_k) est donc dominée par la fonction constante égale à 2 sur le segment [u,v][u, v].
    Par le théorème de convergence dominée, on a :
    lim⁡k→+∞∫uvwk(x) dx=0\lim_{k \to +\infty} \int_u^v w_k(x)   dx = 0
    Or, d'après le calcul de la question 2 :
    ∫uvwk(x) dx=1ank2+bnk2[v−u2(ank2+bnk2)+o(ank2+bnk2)]=v−u2+o(1)\int_u^v w_k(x)   dx = \frac{1}{a_{n_k}^2 + b_{n_k}^2} \left[ \frac{v-u}{2}(a_{n_k}^2+b_{n_k}^2) + o(a_{n_k}^2+b_{n_k}^2) \right] = \frac{v-u}{2} + o(1)
    On en déduit lim⁡k→+∞∫uvwk(x) dx=v−u2\lim_{k \to +\infty} \int_u^v w_k(x)   dx = \frac{v-u}{2}. Par unicité de la limite, v−u2=0\frac{v-u}{2} = 0, ce qui contredit u<vu < v. Par conséquent, l'hypothèse de départ est fausse, et on a bien :
    lim⁡n→+∞an=0etlim⁡n→+∞bn=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} a_n = 0   \text{et}   \lim_{n \to +\infty} b_n = 0}

Vérifier la domination avant d'appliquer le TCD : si les coefficients ne sont pas bornés, la fonction ne l'est pas forcément.

Le lien entre convergence d'une suite de fonctions et convergence de ses coefficients passe souvent par l'intégrale du carré (norme L2).