Étudier la convergence de la série S(x)=n=1∑+∞(−1)nx2+n2x - Exercice 1
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Soit n un nombre entier naturel non nul. Soit x un nombre réel tel que x⩾0.
Question 1
On considère la série réelle de fonctions S(x)=n=1∑+∞(−1)nx2+n2x Étudier la convergence de la série S(x).
Correction
Soit n un nombre entier naturel non nul. Soit x un nombre réel : x∈R+. On pose : un(x)=(−1)nx2+n2x De fait, on a : ∣un(x)∣=x2+n2x Sur l'intervalle R+, pour n un nombre entier naturel non nul, la fonction ∣un∣ est dérivable. On a alors : ∀x⩾0,∀n∈N⋆,∣un(x)∣′=−(x2+n2)2x2−n2 On constate alors que : ∀x⩾0,∣un(x)∣′=0⟺x=n De plus, on a : - si 0⩽x<n alors ∣un(x)∣′>0 ; - si x>n alors ∣un(x)∣′<0 ; Donc la valeur x=n rend extrêmale la fonction ∣un∣. Il s'agit d'un maximum qui se situe à l'ordonnée ∣un(x=n)∣, à savoir (n=0) : ∣un(x=n)∣=n2+n2n=2n2n=2nnn=2n1nn=2n1 On constate que : ∀x⩾0,∀n∈N⋆,∣un(x)∣⩽2n1 La série numérique, n=1∑∞2n1=21n=1∑∞n1, qui est la moitié de la série harmonique, est non convergente. De fait la série S(x) n'est pas normalement convergente sur l'intervalle R+. Étudions maintenant une éventuelle convergence uniforme de S(x) sur l'intervalle R+. On constate que, pour x∈R+, la suite (∣un(x)∣)n∈N⋆=(x2+n2x)n∈N⋆ est positive et décroissante. De plus, on a : n⟶+∞lim∣un(x)∣=n⟶+∞limx2+n2x=0 En vertu du critère des séries alternées, on peut affirmer que la série S(x)=n=1∑+∞(−1)nx2+n2x est convergente. De plus, on a : S(x)=k=1∑+∞(−1)kx2+k2x=k=1∑n(−1)kx2+k2x+k=n+1∑+∞(−1)kx2+k2x On constate que le reste Rn(x)=k=n+1∑+∞(−1)kx2+k2x vérifie sur l'intervalle R+ : ∣Rn(x)∣⩽∣un+1(x)∣ Soit : ∣Rn(x)∣⩽∣∣(−1)n+1x2+(n+1)2x∣∣ Soit encore : ∣Rn(x)∣⩽x2+(n+1)2x Or, comme x∈R+ et n∈N⋆, on peut affirmer que : 0⩽x2+n+11⩽n1 Ce qui implique que : ∣Rn(x)∣⩽n1 On constate alors que : n⟶+∞limn1=0 En conséquence, on en déduit que la série de fonctions S(x)=n=1∑+∞(−1)nx2+n2x converge uniformément sur l'intervalle R+.