Étudier la convergence de la série S(x)=n=0∑+∞e−nx - Exercice 1
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Soit n un nombre entier naturel. Soit x un nombre réel strictement positif.
Question 1
On considère la série réelle de fonctions S(x)=n=0∑+∞e−nx Étudier la convergence de la série S(x).
Correction
Soit n un nombre entier naturel. Soit x>0. On pose un(x)=e−nx. On constate que la fonction un est positive, décroissante et continue sur R+⋆. De plus, on a : ∀x>0,∀n∈N∣un(x)∣=un(x)⩽e0 Soit : ∀x>0,∀n∈N∣un(x)∣⩽1 Or, la série n=0∑+∞1 diverge. Ceci implique que la série S(x)=n=0∑+∞e−nx ne converge pas normalement sur R+⋆. On constate que : S(x)=n=0∑+∞e−nx=n=0∑+∞(e−x)n Il s'agit d'une série géométrique de raison e−x. Or, comme x>0 on a donc 0<e−x<1. De fait la raison qui est comprise entre 0 et 1 entraîne immédiatement la convergence simple de la série S(x) sur l'intervalle R+⋆. Sur l'intervalle R+⋆, la série S(x)=n=0∑+∞e−nx converge simplement vers la fonction f dont l'image est f(x)=1−e−x1. Étudions maintenant une éventuelle convergence uniforme de S(x) sur l'intervalle R+⋆. On a : ∣∣un(x)−f(x)∣∣∞=x>0sup∣un(x)−f(x)∣=x>0sup∣∣e−nx−1−e−x1∣∣ On constate alors que : n⟶+∞lim∣∣un(x)−f(x)∣∣∞=n⟶+∞limx>0sup∣∣e−nx−1−e−x1∣∣=0 De fait la suite (un(x))n∈N ne converge pas uniformément sur R+⋆. Ainsi il en va de même pour la série S(x) qui ne converge pas uniformément sur R+⋆.