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=1+(1)nxx2+n2S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x}{x^2 + n^2} - Exercice 1

20 min
35
Soit nn un nombre entier naturel non nul. Soit xx un nombre réel tel que x0x \geqslant 0.
Question 1

On considère la série réelle de fonctions S(x)=n=1+(1)nxx2+n2S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x}{x^2 + n^2}
Étudier la convergence de la série S(x)S(x).

Correction
Soit nn un nombre entier naturel non nul.
Soit xx un nombre réel : xR+x \in \mathbb{R}^+.
On pose :
un(x)=(1)nxx2+n2u_n(x) = (-1)^n\dfrac{x}{x^2 + n^2}
De fait, on a :
un(x)=xx2+n2|\, u_n(x) \,| = \dfrac{x}{x^2 + n^2}
Sur l'intervalle R+\mathbb{R}^+, pour nn un nombre entier naturel non nul, la fonction un|\, u_n \,| est dérivable. On a alors :
x0,nN,un(x)=x2n2(x2+n2)2\forall x \geqslant 0, \,\, \forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, |\, u_n(x) \,|' = -\dfrac{x^2-n^2}{\left( x^2 + n^2 \right)^2}
On constate alors que :
x0,un(x)=0x=n\forall x \geqslant 0, \,\, |\, u_n(x) \,|' = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x = n
De plus, on a :
- si 0x<n0 \leqslant x < n alors un(x)>0|\, u_n(x) \,|' > 0 ;
- si x>nx > n alors un(x)<0|\, u_n(x) \,|' < 0 ;
Donc la valeur x=nx = n rend extrêmale la fonction un|\, u_n \,|. Il s'agit d'un maximum qui se situe à l'ordonnée un(x=n)|\, u_n(x=n) \,|, à savoir (n0)(n \neq 0) :
un(x=n)=nn2+n2=n2n2=n2nn=12nnn=12n|\, u_n(x=n) \,| = \dfrac{n}{n^2 + n^2} = \dfrac{n}{2n^2} = \dfrac{n}{2nn} = \dfrac{1}{2n}\dfrac{n}{n} = \dfrac{1}{2n}
On constate que :
x0,nN,un(x)12n\forall x\geqslant 0, \,\, \forall n \in \mathbb{N}^\star, \,\, \left\vert u_n(x) \right\vert \leqslant \dfrac{1}{2n}
La série numérique, n=112n=12n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{2n} = \dfrac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n}, qui est la moitié de la série harmonique, est non convergente. De fait la série S(x)S(x) n'est pas normalement convergente sur l'intervalle R+\mathbb{R}^+.
Étudions maintenant une éventuelle convergence uniforme de S(x)S(x) sur l'intervalle R+\mathbb{R}^+.
On constate que, pour xR+x \in \mathbb{R}^+, la suite (un(x))nN=(xx2+n2)nN\left( |\, u_n(x) \,| \right)_{n \in \mathbb{N}^\star} = \left( \dfrac{x}{x^2 + n^2} \right)_{n \in \mathbb{N}^\star} est positive et décroissante. De plus, on a :
limn+un(x)=limn+xx2+n2=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} |\, u_n(x) \,| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{x}{x^2 + n^2} = 0
En vertu du critère des séries alternées, on peut affirmer que la série S(x)=n=1+(1)nxx2+n2S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x}{x^2 + n^2} est convergente.
De plus, on a :
S(x)=k=1+(1)kxx2+k2=k=1n(1)kxx2+k2+k=n+1+(1)kxx2+k2S(x) = \sum_{k=1}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{x}{x^2 + k^2} = \sum_{k=1}^{n} (-1)^k \dfrac{x}{x^2 + k^2} + \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{x}{x^2 + k^2}
On constate que le reste Rn(x)=k=n+1+(1)kxx2+k2R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{x}{x^2 + k^2} vérifie sur l'intervalle R+\mathbb{R}^+ :
Rn(x)un+1(x)| \, R_n(x) \, | \leqslant | \, u_{n+1}(x) \, |
Soit :
Rn(x)(1)n+1xx2+(n+1)2| \, R_n(x) \, | \leqslant \left\vert \, (-1)^{n+1} \dfrac{x}{x^2 + (n + 1)^2} \, \right\vert
Soit encore :
Rn(x)xx2+(n+1)2| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{x}{x^2 + (n + 1)^2}
Or, comme xR+x \in \mathbb{R}^+ et nNn \in \mathbb{N}^\star, on peut affirmer que :
01x2+n+11n0 \leqslant \dfrac{1}{x^2 + n + 1} \leqslant \dfrac{1}{n}
Ce qui implique que :
Rn(x)1n| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{1}{n}
On constate alors que :
limn+1n=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n} = 0
En conséquence, on en déduit que la série de fonctions S(x)=n=1+(1)nxx2+n2S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x}{x^2 + n^2} converge uniformément sur l'intervalle R+\mathbb{R}^+.