Nouveau

🔥 Découvre nos fiches d'exercices gratuites avec corrections en vidéo !Accéder aux fiches  

Suite et séries de fonctions

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

20 min
35
Soit nn un nombre entier naturel. Soit xx un nombre réel strictement positif.
Question 1

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

Correction
Soit nn un nombre entier naturel.
Soit x>0x >0.
On pose un(x)=enxu_n(x) = e^{-nx}.
On constate que la fonction unu_n est positive, décroissante et continue sur R+\mathbb{R}^{+\star}. De plus, on a :
x>0,nNun(x)=un(x)e0\forall x >0, \forall n \in \mathbb{N} \,\, \left\vert u_n(x) \right\vert = u_n(x) \leqslant e^0
Soit :
x>0,nNun(x)1\forall x >0, \forall n \in \mathbb{N} \,\, \left\vert u_n(x) \right\vert \leqslant 1
Or, la série n=0+1\sum_{n=0}^{+\infty} 1 diverge. Ceci implique que la série S(x)=n=0+enxS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} e^{-nx} ne converge pas normalement sur R+\mathbb{R}^{+\star}.
On constate que :
S(x)=n=0+enx=n=0+(ex)nS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} e^{-nx} = \sum_{n=0}^{+\infty} \left( e^{-x} \right)^n
Il s'agit d'une série géométrique de raison exe^{-x}. Or, comme x>0x > 0 on a donc 0<ex<10 < e^{-x} < 1. De fait la raison qui est comprise entre 00 et 11 entraîne immédiatement la convergence simple de la série S(x)S(x) sur l'intervalle R+\mathbb{R}^{+\star}.
Sur l'intervalle R+\mathbb{R}^{+\star}, la série S(x)=n=0+enxS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} e^{-nx} converge simplement vers la fonction ff dont l'image est f(x)=11exf(x) = \dfrac{1}{1-e^{-x}}.
Étudions maintenant une éventuelle convergence uniforme de S(x)S(x) sur l'intervalle R+\mathbb{R}^{+\star}.
On a :
un(x)f(x)=supx>0un(x)f(x)=supx>0enx11ex\left\vert \left\vert \, u_n(x) - f(x) \, \right\vert \right\vert_{\infty} = \underset{x>0}{\sup} \left\vert \, u_n(x) - f(x) \, \right\vert = \underset{x>0}{\sup} \left\vert \, e^{-nx} - \dfrac{1}{1-e^{-x}} \, \right\vert
On constate alors que :
limn+un(x)f(x)=limn+supx>0enx11ex0\lim_{n \longrightarrow + \infty } \left\vert \left\vert \, u_n(x) - f(x) \, \right\vert \right\vert_{\infty} = \lim_{n \longrightarrow + \infty } \underset{x>0}{\sup} \left\vert \, e^{-nx} - \dfrac{1}{1-e^{-x}} \, \right\vert \neq 0
De fait la suite (un(x))nN\left( u_n(x) \right)_{n \in \mathbb{N}} ne converge pas uniformément sur R+\mathbb{R}^{+\star}. Ainsi il en va de même pour la série S(x)S(x) qui ne converge pas uniformément sur R+\mathbb{R}^{+\star}.