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Suite et séries de fonctions

Étudier la convergence de la série S(x)=n=1+un(x)S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x) - Exercice 1

40 min
65
Soit xx un nombre réel tel que x[0;1]x \in [0\,;\,1]. Soit nn un nombre entier naturel non nul.
Question 1

On pose un(x)=x2nln(x)u_n(x) = x^{2n} \ln(x) si 0<x10 < x \leqslant 1 est non nul et un(x=0)=0u_n(x=0) = 0. Etudier la convergence de la série de fonctions S(x)=n=1+un(x)S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x).

Correction
Convergencesimple{\color{red}{\bullet \,\, \bf{Convergence \,\, simple}}}
On constate que si x=0x = 0 ou si x=1x=1 alors, pour tout nombre entier naturel non nul nn, un(x)=0u_n(x) = 0 et de fait S(x)=n=1+un(x)=0S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x) = 0. Ainsi si x=0x = 0 ou si x=1x=1 alors il y a convergence simple de la série S(x)S(x) vers la valeur 00.
Supposons maintenant que 0<x<10 < 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)nS(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} x^{2n} \ln(x) = \ln(x) \sum_{n=1}^{+\infty} x^{2n} = \ln(x) \sum_{n=1}^{+\infty} \left( x^{2} \right)^n
On reconnait la présence d'une série géométrique de raison x2x^2 et de premier terme x2x^2. Comme 0<x<10 < x < 1 alors 0<x2<10 < x^2 < 1. Ainsi la série géométrique est convergente. Et dans ce dernier cas, on peut donc écrire que si 0<x<10 < x < 1 alors la série S(x)S(x) converge simplement vers la valeur réelle x2ln(x)11x2=x2ln(x)1x2x^2 \ln(x)\dfrac{1}{1-x^2} = \dfrac{x^2 \ln(x)}{1-x^2}.
Convergenceuniforme{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, \bf{Convergence \,\, uniforme}}}
Soit 0x10 \leqslant x \leqslant 1.
On constate que si x=1x=1 alors que S(x=1)=0S(x=1) = 0. Cependant, on a :
limx1S(x)=limx1x2ln(x)1x2\lim_{x \longrightarrow 1^-} S(x) = \lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^2 \ln(x)}{1-x^2}
On pose x=1εx = 1 - \varepsilon avec ε0+\varepsilon \longrightarrow 0^+. On a alors :
limx1x2ln(x)1x2=limε0+(1ε)2ln(1ε)1(1ε)2=limε0+(12ε+ε2)ln(1ε)1(12ε+ε2)=limε0+(12ε+ε2)(ε)11+2εε2\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^2 \ln(x)}{1-x^2} = \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{(1 - \varepsilon)^2 \ln(1 - \varepsilon)}{1-(1 - \varepsilon)^2} = \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2) \ln(1 - \varepsilon)}{1-(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2)} = \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2) (- \varepsilon)}{1-1 + 2\varepsilon - \varepsilon^2}
Ce qui nous permet d'écrire que :
limx1x2ln(x)1x2=limε0+(12ε+ε2)ε2εε2=limε0+12ε+ε22ε=12\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^2 \ln(x)}{1-x^2} = - \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2) \varepsilon}{ 2\varepsilon - \varepsilon^2} = - \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2}{ 2 - \varepsilon} = - \dfrac{1}{2}
De fait :
limx1x2ln(x)1x2=12\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^2 \ln(x)}{1-x^2} = - \dfrac{1}{2}
Autrement dit :
limx1S(x)=12\lim_{x \longrightarrow 1^-} S(x) = - \dfrac{1}{2}
Donc l'expression S(x)S(x) n'est pas continue en 11. Donc la série de fonctions S(x)S(x) n'est pas continue sur l'intervalle [0;1][0\,;\,1]. Il en résulte que la série de fonctions S(x)S(x) ne converge pas uniformément sur l'intervalle [0;1][0\,;\,1].
Examinons la situation si 0x<10 \leqslant x < 1.
On a :
S(x)=k=1+x2kln(x)=k=1nx2kln(x)+k=n+1+x2kln(x)=k=1nx2kln(x)+Rn(x)S(x) = \sum_{k=1}^{+\infty} x^{2k} \ln(x) = \sum_{k=1}^{n} x^{2k} \ln(x) + \sum_{k=n+1}^{+\infty} x^{2k} \ln(x) = \sum_{k=1}^{n} x^{2k} \ln(x) + R_n(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)11x2R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} x^{2k} \ln(x) = \ln(x) \sum_{k=n+1}^{+\infty} x^{2k} = \ln(x) \sum_{k=n+1}^{+\infty} \left( x^{2} \right)^k =\ln(x) \times x^{2(n+1)}\dfrac{1}{1-x^2}
Donc :
Rn(x)=x2n+2ln(x)1x2R_n(x) = \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2}
On peut alors écrire que :
limx1Rn(x)=limx1x2n+2ln(x)1x2\lim_{x \longrightarrow 1^-} R_n(x) = \lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2}
On pose x=1εx = 1 - \varepsilon avec ε0+\varepsilon \longrightarrow 0^+. On a alors :
limx1x2n+2ln(x)1x2=limε0+(1ε)2n+2ln(1ε)1(1ε)2=limε0+(k=02n+21kε2n+2k)(ε)1(12ε+ε2)=limε0+(k=02n+21ε2n+2k)ε11+2εε2)\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2} = \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{(1 - \varepsilon)^{2n+2} \ln(1 - \varepsilon)}{1-(1 - \varepsilon)^2} = \lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{\left( \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+2}1^k \varepsilon^{2n+2-k}} \right) (- \varepsilon)}{1-(1 - 2\varepsilon + \varepsilon^2)} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{\left( \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+2}1 \varepsilon^{2n+2-k}} \right) \varepsilon}{1-1 + 2\varepsilon - \varepsilon^2)}
Soit :
limx1x2n+2ln(x)1x2=limε0+(k=02n+2ε2n+2k)ε2εε2=limε0+k=02n+2ε2n+2k2ε=limε0+ε2n+2(2n+2)+k=02n+1ε2n+2k2ε\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{\left( \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+2} \varepsilon^{2n+2-k}} \right) \varepsilon}{ 2\varepsilon - \varepsilon^2} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{ \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+2} \varepsilon^{2n+2-k}} }{ 2 - \varepsilon} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{ \varepsilon^{2n+2-(2n+2)}+ \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+1} \varepsilon^{2n+2-k}} }{ 2 - \varepsilon}
De fait, on obtient :
limx1x2n+2ln(x)1x2=limε0+ε0+k=02n+1ε2n+2k2ε=limε0+1+j=12n+2εj2ε=1+020=12\lim_{x \longrightarrow 1^-} \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{ \varepsilon^{0}+ \displaystyle{\sum_{k=0}^{2n+1} \varepsilon^{2n+2-k}} }{ 2 - \varepsilon} = -\lim_{\varepsilon \longrightarrow 0^+} \dfrac{ 1 + \displaystyle{\sum_{j=1}^{2n+2} \varepsilon^j} }{ 2 - \varepsilon} = - \dfrac{1+0}{2-0} = - \dfrac{1}{2}
Ce qui nous permet d'écrire que :
limx1Rn(x)=12\lim_{x \longrightarrow 1^-} R_n(x) = - \dfrac{1}{2}
Dès lors :
sup0x<1Rn(x)12\underset{0 \leqslant x < 1}{\sup}|\, R_n(x) \,| \geqslant \dfrac{1}{2}
Or, on n sait que S(x=0)=0S(x=0) = 0 ce qui implique que Rn(x=0)=0R_n(x=0) = 0.
Il en résulte que la série de fonctions S(x)S(x) ne converge pas uniformément sur l'intervalle [0;1[[0\,;\,1[.
Examinons maintenant la situation si 0xa0 \leqslant x \leqslant a avec 0<a<10 < a < 1.
On sait que :
Rn(x)=x2n+2ln(x)1x2=xln(x)×x2n+11x2R_n(x) = \dfrac{x^{2n+2} \ln(x)}{1-x^2} = x \ln(x) \times \dfrac{x^{2n+1}}{1-x^2}
Etudions la fonction f:xxln(x)f : x \longmapsto x \ln(x) sur l'intervalle ]0;1]]0 \,;\, 1]. Cette fonction y est dérivable, et on a :
x]0;1],f(x)=(xln(x))=xln(x)+xln(x)=1ln(x)+x1x=ln(x)+1\forall x \in ]0 \,;\, 1], \,\, f'(x) = \left( x \ln(x) \right)' = x'\ln(x) + x \ln'(x) = 1\ln(x) + x \dfrac{1}{x} = \ln(x) + 1
Ainsi , sur l'intervalle ]0;1]]0 \,;\, 1] on a f(x)=ln(x)+1=0f'(x) = \ln(x) + 1 = 0 qui implique que x=1ex = \dfrac{1}{e}. En outre, on constate que :
- si 0<x<1e0 < x < \dfrac{1}{e} alors f(x)f'(x) est négative et de fait ff y est décroissante ;
- si x=1ex = \dfrac{1}{e} alors f(x)f'(x) est nulle et de fait ff y est extrémale ;
- si 1e<x1\dfrac{1}{e} < x \leqslant 1 alors f(x)f'(x) est positive et de fait ff y est croissante.
De fait, en x=1ex = \dfrac{1}{e} on a un minimum qui vaut f(1e)=1eln(1e)=1eln(e)=1e×1=1ef\left( \dfrac{1}{e} \right) = \dfrac{1}{e} \ln\left( \dfrac{1}{e} \right) = - \dfrac{1}{e} \ln\left( e\right) = - \dfrac{1}{e} \times 1 = - \dfrac{1}{e}
De ceci, on en déduit que :
x]0;1],xln(x)=1e\forall x \in ]0 \,;\, 1], \,\, \left\vert \, x \ln(x) \, \right\vert = \dfrac{1}{e}
En conséquence, x[0;a]\forall x \in [0 \,;\, a], on a :
Rn(x)=xln(x)×x2n+11x2=xln(x)×x2n+11x2| \, R_n(x) \, | = \left\vert x \ln(x) \times \dfrac{x^{2n+1}}{1-x^2} \right\vert = \left\vert x \ln(x) \right\vert \times \dfrac{x^{2n+1}}{1-x^2}
Donc :
x[0;a],Rn(x)1e×a2n+11a2\forall x \in [0 \,;\, a], \,\, | \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{1}{e} \times \dfrac{a^{2n+1}}{1-a^2}
Ceci nous conduit à :
0supx[0;a]Rn(x)a2n+1e(1a2)0 \leqslant \underset{x \in [0 \,;\, a]}{\sup}| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{a^{2n+1}}{e \left( 1-a^2 \right)}
Par passage à la limite lorsque n+n \longrightarrow + \infty on obtient (avec 0<a<10 < a < 1) :
limn+a2n+1e(1a2)=1e(1a2)limn+a2n+1=1e(1a2)×0=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{a^{2n+1}}{e \left( 1-a^2 \right)} = \dfrac{1}{e \left( 1-a^2 \right)} \lim_{n \longrightarrow + \infty} a^{2n+1} = \dfrac{1}{e \left( 1-a^2 \right)} \times 0 = 0
Donc :
limn+0=limn+a2n+1e(1a2)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} 0 = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{a^{2n+1}}{e \left( 1-a^2 \right)} = 0
D'après le théorème de l'encadrement, cela nous permet d'affirmer que :
limn+supx[0;a]Rn(x)=0 \lim_{n \longrightarrow + \infty} \underset{x \in [0 \,;\, a]}{\sup}| \, R_n(x) \, |= 0
Il en résulte que la série de fonctions S(x)S(x) converge uniformément sur l'intervalle [0;a][0\,;\,a] avec 0<a<10 < a < 1.
Convergencenormalesur[0;a]avec0<a<1{\color{green}{\bullet \bullet \bullet \,\, \bf{Convergence \,\, normale \,\, sur \,\, [0 \,;\,\textit{a}] \,\, avec \,\, 0 < \textit{a} < 1}}}
Examinons maintenant la situation d'une éventuelle convergence normale si 0xa0 \leqslant x \leqslant a avec 0<a<10 < a < 1.
On a :
x[0;a],un(x)=x2nln(x)=x2n1xln(x)=x2n1×xln(x)\forall x \in [0 \,;\, a], \,\, | \, u_n(x) \, | = | \, x^{2n} \ln(x) \, | = | \, x^{2n-1} x \ln(x) \, | = | \, x^{2n-1} \, | \times | \, x \ln(x) \, |
D'après ce qui précède, on peut écrire que :
x[0;a],un(x)a2n1×1e\forall x \in [0 \,;\, a], \,\, | \, u_n(x) \, | \leqslant a^{2n-1} \times \dfrac{1}{e}
Or, la série numérique n=1a2n1e=1en=1a2n1\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{a^{2n-1}}{e} = \dfrac{1}{e} \sum_{n=1}^{\infty} a^{2n-1} est convergente car 0<a<10 < a < 1. De fait, cela entraine a convergence normale de la série de fonction S(x)S(x) sur l'intervalle [0;a][0 \,;\,a] avec 0<a<10 < a < 1.