↪ Soit
x⩾0.
Soit
n un nombre entier naturel.
On a la fonction
f⟶f(x)=n=0∑∞un(x).
Avec la fonction
un:x⟼u(x)=1+n2e−nx qui est continue pour tout entier naturel
n.
En conséquence la fonction
f est continue sur
R+.
Puis, la fonction
un est dérivable pour
x⩾0. Et on a :
∀x∈R+,un′(x)=−1+n2ne−nx.
On constate alors que, pour un nombre réel
ℓ strictement positif, on a :
x⩾ℓ⟹∣un′(x)∣⩽e−nℓ.
Et on sait que la série numérique
n=0∑+∞e−nℓ=n=0∑+∞(e−ℓ)n=n=0∑+∞(eℓ1)n est une série géométrique de raison
eℓ1.
Comme
ℓ>0 cela implique que
0<eℓ1<1. En conséquence la série géométrique
n=0∑+∞(eℓ1)n est convergente.
En vertu du critère de Weierstrass on peut affirmer que la série de fonction
n=0∑∞un′(x) est normalement convergente pour
x⩾ℓ.
Ceci permet d'affirmer que la fonction
f=n=0∑∞un est dérivable pour
x⩾ℓ. Et comme
ℓ>0, cela signifie que
f est dérivable pour
x>0. De fait, on a :
∀x>0,f′(x)=n=0∑∞un′(x)=−n=0∑∞1+n2ne−nx↪ Étudions maintenant le cas particulier
x=0.
Ce cas particulier nous oblige à nous intéresser à la série
n=0∑∞1+n2n.
Or, on sait que :
1+n2n+∞∼n2n=n1Or, la série harmonique
n=1∑∞n1 est divergente et de fait, par comparaison, la série numérique
n=0∑∞1+n2n est également divergente.
Ceci nous permet donc d'écrire que :
∀V∈R,∃N∈N,/n=0∑∞1+n2n>VDe plus, pour tous les entiers naturels
n inférieurs à
N on a pour
x⩾0 :
e−nx⩾e−Nx.
Ainsi, si
0<x<Nln(2) alors on a :
0<Nx<ln(2)⟺0>−Nx>−ln(2)⟺0>−Nx>ln(21)Par croissance de la fonction exponentielle on a alors :
e0>e−Nx>eln(21)Soit :
e−nx>e−Nx>21D'où, si
0<x<Nln(2) alors on a :
n=0∑∞1+n2ne−nx>n=0∑∞1+n2n21Soit :
−n=0∑∞1+n2ne−nx<−n=0∑∞1+n2n21⟺f′(x)<−n=0∑∞1+n2n21⟺f′(x)<−21n=0∑∞1+n2nCe qui implique immédiatement que pour
0<x<Nln(2) on a :
f′(x)<−2VAppliquons maintenant le théorème des accroissements finis à la fonction
f. Comme la fonction
f est dérivable sur l'intervalle
]0;Nln(2)[, on a alors pour
0<x<Nln(2) :
∃c∈]0;x[/f(x)−f(0)=(x−0)f′(c)Ce qui implique que pour
0<x<Nln(2) le taux de variation satisfait à :
x−0f(x)−f(0)<−2VEn passant à la limite lorsque
x⟶0, on obtient :
x⟶0limx−0f(x)−f(0)=−∞Ceci démontre que la fonction
f n'est pas dérivable en
x=0.