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Suite et séries de fonctions

Étudier la convergence de la série S(x)=n=0enx1+n2S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} - Exercice 1

35 min
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Pour bien débuter.
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel. Soit xx un nombre réel.

On considère la série réelle de fonctions S(x)=n=0enx1+n2S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2}
Étudier la convergence de la série S(x)S(x).

Correction
Soit nn un nombre entier naturel.
Soit xx un nombre réel positif : x0x \geqslant 0.
On pose :
un(x)=enx1+n2u_n(x) = \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2}
On a :
0<enx10 < e^{-nx} \leqslant 1
Ce qui implique que (puisque 1+n2>01+n^2 > 0) :
0<enx1+n211+n20 < \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} \leqslant \dfrac{1}{1+n^2}
Soit :
0<un(x)11+n20 < u_n(x) \leqslant \dfrac{1}{1+n^2}
Puis :
De plus, on sait que :
11+n2+1n2\dfrac{1}{1+n^2} \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{n^2}
Et comme la série numérique n=11n2\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n^2} est une série de Riemann convergente alors, en vertu du critère de Weierstrass, la série S(x)=n=0enx1+n2S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} est normalement convergente sur R+\mathbb{R}^+.
Soit xx un nombre réel strictement négatif : x<0x < 0.
Par croissances comparées, on a la limite suivante :
limn+un(x)=limn+enx1+n2=+\lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n(x) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} = + \infty
De fait, cela implique immédiatement que la série S(x)=n=0enx1+n2S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} est divergente sur R\mathbb{R}^{-\star}.
En conclusion la série de fonctions S(x)=n=0enx1+n2S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} est normalement convergente pour x0x \geqslant 0.
Question 2

On note, pour x0x \geqslant 0, f(x)=S(x)=n=0enx1+n2f(x) = S(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2}. Étudier la dérivabilité de ff.

Correction
\hookrightarrow \,\, Soit x0x \geqslant 0.
Soit nn un nombre entier naturel.
On a la fonction ff(x)=n=0un(x)f \longrightarrow f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} u_n(x).
Avec la fonction un:xu(x)=enx1+n2u_n : x \longmapsto u_(x) = \dfrac{e^{-nx}}{1+n^2} qui est continue pour tout entier naturel nn.
En conséquence la fonction ff est continue sur R+\mathbb{R}^+.
Puis, la fonction unu_n est dérivable pour x0x \geqslant 0. Et on a :
xR+,un(x)=n1+n2enx\forall x \in \mathbb{R}^+, \,\, u'_n(x) = -\dfrac{n}{1+n^2} e^{-nx}.
On constate alors que, pour un nombre réel \ell strictement positif, on a :
xun(x)enx \geqslant \ell \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, |\, u'_n(x) \,| \leqslant e^{-n\ell}.
Et on sait que la série numérique n=0+en=n=0+(e)n=n=0+(1e)n\sum_{n = 0}^{+\infty} e^{-n\ell} = \sum_{n = 0}^{+\infty} \left( e^{-\ell} \right)^n = \sum_{n = 0}^{+\infty} \left( \dfrac{1}{e^\ell} \right)^n est une série géométrique de raison 1e\dfrac{1}{e^\ell}.
Comme >0\ell > 0 cela implique que 0<1e<10 < \dfrac{1}{e^\ell} < 1. En conséquence la série géométrique n=0+(1e)n\sum_{n = 0}^{+\infty} \left( \dfrac{1}{e^\ell} \right)^n est convergente.
En vertu du critère de Weierstrass on peut affirmer que la série de fonction n=0un(x)\sum_{n=0}^{\infty} u'_n(x) est normalement convergente pour xx \geqslant \ell.
Ceci permet d'affirmer que la fonction f=n=0unf = \sum_{n=0}^{\infty} u_n est dérivable pour xx \geqslant \ell. Et comme >0\ell > 0, cela signifie que ff est dérivable pour x>0x >0. De fait, on a :
x>0,f(x)=n=0un(x)=n=0n1+n2enx\forall x > 0, \,\, f'(x) = \sum_{n=0}^{\infty} u'_n(x) = - \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} e^{-nx}
\hookrightarrow \,\, Étudions maintenant le cas particulier x=0x=0.
Ce cas particulier nous oblige à nous intéresser à la série n=0n1+n2\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2}.
Or, on sait que :
n1+n2+nn2=1n\dfrac{n}{1+n^2} \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{n}{n^2} = \dfrac{1}{n}
Or, la série harmonique n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n} est divergente et de fait, par comparaison, la série numérique n=0n1+n2\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} est également divergente.
Ceci nous permet donc d'écrire que :
VR,NN,/n=0n1+n2>V\forall V \in \mathbb{R}, \,\, \exists N \in \mathbb{N}, \, / \, \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} > V
De plus, pour tous les entiers naturels nn inférieurs à NN on a pour x0x \geqslant 0 : enxeNxe^{-nx} \geqslant e^{-Nx}.
Ainsi, si 0<x<ln(2)N0 < x < \dfrac{\ln(2)}{N} alors on a :
0<Nx<ln(2)0>Nx>ln(2)0>Nx>ln(12)0 < Nx < \ln(2) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 > -Nx > -\ln(2) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 > -Nx > \ln\left( \dfrac{1}{2} \right)
Par croissance de la fonction exponentielle on a alors :
e0>eNx>eln(12)e^0 > e^{-Nx} > e^{\ln\left( \frac{1}{2} \right)}
Soit :
enx>eNx>12e^{-nx} > e^{-Nx} > \dfrac{1}{2}
D'où, si 0<x<ln(2)N0 < x < \dfrac{\ln(2)}{N} alors on a :
n=0n1+n2enx>n=0n1+n212\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} e^{-nx} > \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} \dfrac{1}{2}
Soit :
n=0n1+n2enx<n=0n1+n212f(x)<n=0n1+n212f(x)<12n=0n1+n2-\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} e^{-nx} < -\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} \dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, f'(x) < -\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2} \dfrac{1}{2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, f'(x) < - \dfrac{1}{2}\sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{n}{1+n^2}
Ce qui implique immédiatement que pour 0<x<ln(2)N0 < x < \dfrac{\ln(2)}{N} on a :
f(x)<V2f'(x) < - \dfrac{V}{2}
Appliquons maintenant le théorème des accroissements finis à la fonction ff. Comme la fonction ff est dérivable sur l'intervalle ]0;ln(2)N[\left]0 \,;\, \dfrac{\ln(2)}{N} \right[, on a alors pour 0<x<ln(2)N0 < x < \dfrac{\ln(2)}{N} :
c]0;x[/f(x)f(0)=(x0)f(c)\exists c \in ]0 \,;\, x[ \, / \, f(x) - f(0) = (x-0) \, f'(c)
Ce qui implique que pour 0<x<ln(2)N0 < x < \dfrac{\ln(2)}{N} le taux de variation satisfait à :
f(x)f(0)x0<V2\dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0} < - \dfrac{V}{2}
En passant à la limite lorsque x0x \longrightarrow 0, on obtient :
limx0f(x)f(0)x0=\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{f(x) - f(0)}{x - 0} = - \infty
Ceci démontre que la fonction ff n'est pas dérivable en x=0x=0.