Étudier la convergence de la série S(x)=n=1∑+∞un(x) - Exercice 1
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Soit x un nombre réel tel que x∈[0;1]. Soit n un nombre entier naturel non nul.
Question 1
On pose un(x)=x2nln(x) si 0<x⩽1 est non nul et un(x=0)=0. Etudier la convergence de la série de fonctions S(x)=n=1∑+∞un(x).
Correction
∙Convergencesimple On constate que si x=0 ou si x=1 alors, pour tout nombre entier naturel non nul n, un(x)=0 et de fait S(x)=n=1∑+∞un(x)=0. Ainsi si x=0 ou si x=1 alors il y a convergence simple de la série S(x) vers la valeur 0. Supposons maintenant que 0<x<1. On peut écrire que : S(x)=n=1∑+∞un(x)=n=1∑+∞x2nln(x)=ln(x)n=1∑+∞x2n=ln(x)n=1∑+∞(x2)n On reconnait la présence d'une série géométrique de raison x2 et de premier terme x2. Comme 0<x<1 alors 0<x2<1. Ainsi la série géométrique est convergente. Et dans ce dernier cas, on peut donc écrire que si 0<x<1 alors la série S(x) converge simplement vers la valeur réelle x2ln(x)1−x21=1−x2x2ln(x). ∙∙Convergenceuniforme Soit 0⩽x⩽1. On constate que si x=1 alors que S(x=1)=0. Cependant, on a : x⟶1−limS(x)=x⟶1−lim1−x2x2ln(x) On pose x=1−ε avec ε⟶0+. On a alors : x⟶1−lim1−x2x2ln(x)=ε⟶0+lim1−(1−ε)2(1−ε)2ln(1−ε)=ε⟶0+lim1−(1−2ε+ε2)(1−2ε+ε2)ln(1−ε)=ε⟶0+lim1−1+2ε−ε2(1−2ε+ε2)(−ε) Ce qui nous permet d'écrire que : x⟶1−lim1−x2x2ln(x)=−ε⟶0+lim2ε−ε2(1−2ε+ε2)ε=−ε⟶0+lim2−ε1−2ε+ε2=−21 De fait : x⟶1−lim1−x2x2ln(x)=−21 Autrement dit : x⟶1−limS(x)=−21 Donc l'expression S(x) n'est pas continue en 1. Donc la série de fonctions S(x) n'est pas continue sur l'intervalle [0;1]. Il en résulte que la série de fonctions S(x) ne converge pas uniformément sur l'intervalle [0;1]. Examinons la situation si 0⩽x<1. On a : S(x)=k=1∑+∞x2kln(x)=k=1∑nx2kln(x)+k=n+1∑+∞x2kln(x)=k=1∑nx2kln(x)+Rn(x) Avec : Rn(x)=k=n+1∑+∞x2kln(x)=ln(x)k=n+1∑+∞x2k=ln(x)k=n+1∑+∞(x2)k=ln(x)×x2(n+1)1−x21 Donc : Rn(x)=1−x2x2n+2ln(x) On peut alors écrire que : x⟶1−limRn(x)=x⟶1−lim1−x2x2n+2ln(x) On pose x=1−ε avec ε⟶0+. On a alors : x⟶1−lim1−x2x2n+2ln(x)=ε⟶0+lim1−(1−ε)2(1−ε)2n+2ln(1−ε)=ε⟶0+lim1−(1−2ε+ε2)(k=0∑2n+21kε2n+2−k)(−ε)=−ε⟶0+lim1−1+2ε−ε2)(k=0∑2n+21ε2n+2−k)ε Soit : x⟶1−lim1−x2x2n+2ln(x)=−ε⟶0+lim2ε−ε2(k=0∑2n+2ε2n+2−k)ε=−ε⟶0+lim2−εk=0∑2n+2ε2n+2−k=−ε⟶0+lim2−εε2n+2−(2n+2)+k=0∑2n+1ε2n+2−k De fait, on obtient : x⟶1−lim1−x2x2n+2ln(x)=−ε⟶0+lim2−εε0+k=0∑2n+1ε2n+2−k=−ε⟶0+lim2−ε1+j=1∑2n+2εj=−2−01+0=−21 Ce qui nous permet d'écrire que : x⟶1−limRn(x)=−21 Dès lors : 0⩽x<1sup∣Rn(x)∣⩾21 Or, on n sait que S(x=0)=0 ce qui implique que Rn(x=0)=0. Il en résulte que la série de fonctions S(x) ne converge pas uniformément sur l'intervalle [0;1[. Examinons maintenant la situation si 0⩽x⩽a avec 0<a<1. On sait que : Rn(x)=1−x2x2n+2ln(x)=xln(x)×1−x2x2n+1 Etudions la fonction f:x⟼xln(x) sur l'intervalle ]0;1]. Cette fonction y est dérivable, et on a : ∀x∈]0;1],f′(x)=(xln(x))′=x′ln(x)+xln′(x)=1ln(x)+xx1=ln(x)+1 Ainsi , sur l'intervalle ]0;1] on a f′(x)=ln(x)+1=0 qui implique que x=e1. En outre, on constate que : - si 0<x<e1 alors f′(x) est négative et de fait f y est décroissante ; - si x=e1 alors f′(x) est nulle et de fait f y est extrémale ; - si e1<x⩽1 alors f′(x) est positive et de fait f y est croissante. De fait, en x=e1 on a un minimum qui vaut f(e1)=e1ln(e1)=−e1ln(e)=−e1×1=−e1 De ceci, on en déduit que : ∀x∈]0;1],∣xln(x)∣=e1 En conséquence, ∀x∈[0;a], on a : ∣Rn(x)∣=∣∣xln(x)×1−x2x2n+1∣∣=∣xln(x)∣×1−x2x2n+1 Donc : ∀x∈[0;a],∣Rn(x)∣⩽e1×1−a2a2n+1 Ceci nous conduit à : 0⩽x∈[0;a]sup∣Rn(x)∣⩽e(1−a2)a2n+1 Par passage à la limite lorsque n⟶+∞ on obtient (avec 0<a<1) : n⟶+∞lime(1−a2)a2n+1=e(1−a2)1n⟶+∞lima2n+1=e(1−a2)1×0=0 Donc : n⟶+∞lim0=n⟶+∞lime(1−a2)a2n+1=0 D'après le théorème de l'encadrement, cela nous permet d'affirmer que : n⟶+∞limx∈[0;a]sup∣Rn(x)∣=0 Il en résulte que la série de fonctions S(x) converge uniformément sur l'intervalle [0;a] avec 0<a<1. ∙∙∙Convergencenormalesur[0;a]avec0<a<1 Examinons maintenant la situation d'une éventuelle convergence normale si 0⩽x⩽a avec 0<a<1. On a : ∀x∈[0;a],∣un(x)∣=∣x2nln(x)∣=∣x2n−1xln(x)∣=∣x2n−1∣×∣xln(x)∣ D'après ce qui précède, on peut écrire que : ∀x∈[0;a],∣un(x)∣⩽a2n−1×e1 Or, la série numérique n=1∑∞ea2n−1=e1n=1∑∞a2n−1 est convergente car 0<a<1. De fait, cela entraine a convergence normale de la série de fonction S(x) sur l'intervalle [0;a] avec 0<a<1.