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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Suites de fonctions
Exercice 10.1
Étudier le mode de convergence des suites de fonctions définies ci-dessous :
(1) x ∈�
0,π
2
�7−→ cos(x) (sin(x))n (2) x ∈ R 7−→ ne−x + 1
n+ x2
(3) x ∈]0,+∞[ 7−→ inf�
n,1px
�(4) x ∈ R 7−→ nxe−nx2
Exercice 10.2
Pour tout n ∈ N∗ et x ∈ R, on note fn(x) = e(n−1)x
n .
1. Étudier la convergence simple de ( fn).
2. Montrer que la convergence est uniforme sur tout intervalle ] −∞, b], où b ∈ R.
3. La convergence est-elle uniforme sur R ?
Exercice 10.3
Soit ( fn)n⩾1 la suite de fonctions définies sur [0,1] par
fn(x) =2n x
1+ 2nnx2 .
1. Étudier la convergence simple de cette suite de fonctions.
2. Calculer In =∫ 1
0fn(t)d t et lim
n→+∞ In.
En déduire que la suite ( fn) n’est pas uniformément convergentesur [0,1].
3. Donner une démonstration directe du fait que la suite ( fn) neconverge pas uniformément sur [0,1].
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Exercice 10.4
On considère un réel α, et pour tout n ∈ N la fonction fn définie sur[0 ; +∞[ par
fn(x) = x(1+ nαe−nx).
1. Montrer que la suite�
fn�
n∈N converge simplement sur [0 ; +∞[ versune fonction que l’on déterminera.
2. Pour quelles valeurs de α la suite converge-t-elle uniformément sur[0 ; +∞[ vers f ?
3. Calculer limn→+∞
∫ 1
0
x(1+p
ne−nx)d x.
Séries de fonctions
Exercice 10.5
Pour tous x ⩾ 0 et n ∈ N∗, on pose un(x) =x
n2+ x2 .
1. Montrer que la série∑
un converge simplement sur R+.2. Montrer que la série
∑un converge uniformémement sur tout in-
tervalle [0,A], avec A> 0.
3. Vérifier que, pour tout n ∈ N, 2n∑k=n+1
nn2+k2 ⩾ 1
5.
En déduire que la série∑
un ne converge pas uniformément surR+.
4. Montrer que la série∑(−1)nun converge uniformément sur R+.
5. Montrer que la série∑(−1)nun converge normalement sur tout in-
tervalle [0,A], avec A> 0.
6. Montrer que la série∑(−1)nun ne convergence pas normalement
sur R+.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Exercice 10.6
Pour tous x ⩾ 0 et n ∈ N∗, on pose vn(x) =(−1)npn+ x
.
Montrer que∑
vn ne converge pas normalement mais converge uni-formément sur [0 ; +∞[.
Exercice 10.7
Montrer que la série des fonctions gn définies sur [0 ; 1] par
gn(x) =
(1n
si x ∈i
1n+1
; 1n
i0 sinon,
converge uniformément mais pas normalement sur [0 ; 1].
Exercice 10.8
Étudier le mode de convergence des séries de fonctions ci-dessous :
(1) x ∈ ]0 ; +∞[ 7−→ sin(nx)1+ n2 x2 (2) x ∈ ]0 ; +∞[ 7−→ (−1)n−1e−nx
pn
(3) x ∈ R 7−→ 1
nsin
x
n(4) x ∈ [0 ; +∞[ 7−→ x
(1+ x2)n
(5) x ∈ ]0 ; +∞[ 7−→ xe−nx
ln(n)(6) x ∈ R 7−→
∫ +∞0
sin(t + nx)n3+ t2 d t
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Propriétés de la somme d’une série de fonctions
Exercice 10.9
Soient α> 0 et pour tout n ∈ N∗, un : x ∈ [0 ; +∞[ 7→ xnα(1+nx2)
·1. (a) Montrer que
∑un converge simplement sur [0 ; +∞[.
(b) Pour quelles valeurs de α la série de fonctions∑
un converge-t-elle normalement sur [0 ; +∞[ ?
(c) Pour quelles valeurs de α la série de fonctions∑
un converge-t-elle normalement sur tout segment de ]0 ; +∞[ ?
2. Soit α⩽ 12.
(a) Établir l’inégalité+∞∑
k=n+1
uk(x)⩾2n∑
k=n+1
xp2n (1+ kx2)
·(b) En déduire que la série de fonctions
∑un ne converge pas uni-
formément sur [0 ; +∞[.3. On note Sα =
+∞∑n=1
un.
(a) Établir pour tout α> 0, la continuité de Sα sur ]0 ; +∞[.(b) Montrer que si α> 1
2, alors Sα est continue sur [0 ; +∞[.
(c) On suppose que α⩽ 12, et on prend un réel x > 0.
-i)- Prouver que f : t 7→ x
tα(1+ t x2)est intégrable sur [1 ; +∞[.
-ii)- Montrer que
∫ +∞1
f (t)d t ⩽ Sα(x).
-iii)- Calculer
∫ +∞1
xpt (1+ t x2)
d t.
-iv)- En déduire que S 12, puis Sα, ne sont pas continues en 0.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Exercice 10.10 – Oral ICNA
1. Justifier l’existence et calculer I(p, q) =∫ 1
0x p (ln x)q d x pour tout
(p, q) ∈ N∗×N.2. Montrer que
∫ 1
0x xd x =
+∞∑n=1
(−1)n−1
nn ·
Exercice 10.11
1. Vérifier que x 7→ ∞∑n=1
1
n(1+ nx)est définie et continue sur ]0 ; +∞[.
2. Étudier la monotonie de la fonction f définie ci-dessus.
3. (a) Montrer que f admet en +∞ une limite que l’on donnera.
(b) Donner un équivalent de f (x) quand x tend vers +∞(on pourra étudier la limite de x f (x)).
4. Grâce à une comparaison série-intégrale, déterminer un équivalentde f (x) quand x tend vers 0.
Exercice 10.12
1. Vérifier que f : x 7→ ∞∑n=0
(−1)n
n+ xest définie et continue sur ]0 ; +∞[,
et étudier sa monotonie.
2. (a) Montrer que pour tout x > 0, f (x) + f (x + 1) = 1x.
(b) En déduire un équivalent de f (x) quand x tend vers 0.
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Exercice 10.13
On considère la fonction f : x 7→ +∞∑n=0
12n tan
�x
2n
�.
1. Vérifier que f est définie et continue sur I=�−π
2, π
2
�.
2. Montrer que pour tous x ∈ R et N ∈ N,
2N+1 sin� x
2N
� N∏n=0
cos� x
2n
�= sin(2x).
3. Calculer∫ x
0f (t)d t, et en déduire une expression de f (x).
Exercice 10.14 – Oral Centrale
Pour x ∈ R+, S(x) =+∞∑n=1
xn
1+ x2n
1. Préciser l’ensemble D de définition de S.
2. Étudier la continuité de S (remarquer que S(x) = S�
1x
�).
3. Étudier les variations de S et trouver un équivalent aux extrémitésde D.
Exercice 10.15
1. Dériver la fonction x ∈ ]−1 ; 1[ 7→ arctan�
x sin x
1− x cos x
�.
2. En déduire+∞∑n=1
xn sin(nx)n
pour tout x ∈ ]−1 ; 1[.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Exercice 10.16
On s’intéresse à la fonction f : x 7→+∞∑n=0
(−1)n
n!(x + n).
1. Montrer que f est bien définie sur ]0 ; +∞[, et calculer f (1).
2. Démontrer que f est de classe C∞ sur ]0 ; +∞[.3. Démontrer que pour tout x > 0, x f (x)− f (x + 1) = 1
e.
4. En déduire un équivalent de f en 0+.
5. (a) Montrer que pour tout réel x > 0 et tout entier n ∈ N,n∑
k=0
�n
k
�(−1)k
x + k=
n!
x(x + 1) · · · (x + n)·
(b) En déduire que pour tout x > 0,
f (x) =1
e
+∞∑n=0
1
x(x + 1) · · · (x + n).
(On pourra considérer e× f (x) comme le produit de deuxséries.)
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Exercice 10.17 – Extrait de E3A PSI 2010
1. Soit a un réel positif ou nul. On considère les suites réelles (an)n∈Net (bn)n∈N définies par
a0 = a, b0 = 1, an+1 =an+ bn
2, bn+1 =
pan bn.
(a) Montrer que pour tout entier n ∈ N, an ⩾ 0, bn ⩾ 0, et an+1 −bn+1 =
12(pan−
pbn)2.
(b) En déduire que ∀n⩾ 1, 0⩽ bn ⩽ bn+1 ⩽ an+1 ⩽ an.
(c) Montrer que, ∀n ∈ N∗, |an− bn|⩽ 12n |1− a|.
(d) En déduire que (an)n∈N et (bn)n∈N sont convergentes et demême limite.
2. Désormais (an)n∈N et (bn)n∈N désignent les suites de fonctions défi-nies sur [0,+∞[ en posant
a0(x) = x , b0(x) = 1, an+1 =an+ bn
2et bn+1 =
pan bn.
(a) Justifier que les suites (an) et (bn) convergent simplement sur[0,+∞[ vers une fonction f .
(b) Déterminer f (0) et f (1).
(c) Montrer que pour tout x on ap
x ⩽ f (x)⩽1+ x
2.
(d) Soit A > 0 un réel. Montrer que les suites de fonctions (an)n∈Net (bn)n∈N convergent uniformément sur [0,A] vers f .
(e) En déduire que la fonction f est continue sur [0,+∞[.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Exercice 10.18 – Séries trigonométriques
On appelle « série trigonométrique » une série de fonctions∑
fn dutype
fn : x 7→ an cos(nx) + bn sin(nx),
où (an) et (bn) sont deux suites de réels.
On notera C2π l’espace vectoriel des fonctions continues et 2π-périodiques de R dans R. Pour f ∈ C2π et n ∈ N, on notera
αn( f ) =1
π
∫ π−π
f (x) cos(nx)d x et βn( f ) =1
π
∫ π−π
f (x) sin(nx)d x
Partie 1 : exemples
1. Démontrer que la série trigonométrique∑�12n cos(nx) + 1
3n sin(nx)�converge normalement sur R.
2. Pour tout entier p ⩾ 2, déterminer la somme de la série de terme
général
�ei x
p
�n
puis en déduire la valeur de
+∞∑n=0
�1
2n cos(nx) +1
3n sin(nx)�
(il n’est pas utile de réduire au même dénominateur).3. Écrire la fonction φ : x 7→ exp(cos(x)) cos(sin(x)) comme la
somme d’une série trigonométrique.(On pourra écrire la fonction x 7→ exp(ei x) comme somme desérie de fonctions.)
4. Donner un exemple de suite (an) de limite nulle telle que la sérietrigonométrique
∑an cos(nx) ne converge pas simplement sur R.
5. On admet que la série trigonométrique∑
n⩾11pn
sin(nx) convergesimplement sur R. Converge-t-elle normalement sur R ?
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Partie 2 : propriétés
6. Démontrer que si les séries∑
an et∑
bn sont absolument conver-gentes, alors la série trigonométrique
∑(an cos(nx) + bn sin(nx))
converge normalement sur R.7. Soient a, b ∈ R. Démontrer que
pa2+ b2 est le maximum sur R de
x 7→ |a cos(x) + b sin(x)|.En déduire que si la série trigonométrique
∑(an cos(nx) +
bn sin(nx)) converge normalement sur R, alors les suites (an) et(bn) convergent vers 0 et les séries
∑an et
∑bn sont absolument
convergentes.
8. Montrer que la somme d’une série trigonométrique qui convergenormalement sur R est une fonction de C2π.
9. Donner les valeurs de∫ π−π cos(kx) cos(nx)d x = 0,∫ π
−π sin(kx) cos(nx)d x, et∫ π−π sin(kx) sin(nx)d x pour k et n
entiers.
10. On note f la somme d’une série trigonométrique∑(an cos(nx) +
bn sin(nx)) qui converge normalement sur R :
∀x ∈ R, f (x) =+∞∑k=0
(ak cos(kx) + bk sin(kx)).
(a) Démontrer que pour tout entier naturel n non nul, αn( f ) = an
puis exprimer α0( f ) en fonction de a0.
(b) Montrer que pour tout entier naturel n non nul βn( f ) = bn etβ0( f ) = 0.
11. Soit f ∈ C2π. Pour tout réel x, on pose
u0(x) =α0( f )
2,
∀n ∈ N∗, un(x) = αn( f ) cos(nx) + βn( f ) sin(nx).
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
On suppose ici que la série trigonométrique∑(un(x)) converge
normalement sur R vers une fonction notée g :
∀x ∈ R, g(x) =α0( f )
2++∞∑k=1
(αk( f ) cos(kx) + βk( f ) sin(kx))
Quelles relations a-t-on dans ce cas entre αn(g) et αn( f ) ? βn(g) etβn( f ) ?
12. Il est admis que si une fonction h ∈ C2π vérifie : pour tout entiernaturel n, αn(h) = βn(h) = 0, alors h est la fonction nulle. Démon-trer que pour tout réel x, g(x) = f (x).
En résumé, lorsque la série trigonométrique∑(αn( f ) cos(nx) +
βn( f ) sin(nx)) d’une fonction f ∈ C2π converge normalement queR alors pour tout réel x, on a
f (x) =α0( f )
2++∞∑n=1
(αn( f ) cos(nx) + βn( f ) sin(nx)).
13. Si f ∈ C2π est une fonction paire, que vaut βn( f ) ? Exprimer, sansdémonstration, αn( f ) en fonction de l’intégrale
∫ π0
f (x) cos(nx)d x.
Partie 3 : un exemple
14. Soit f ∈ C2π définie par : ∀x ∈ [−π ; π] , f (x) = x2.
(a) Construire la courbe de cette fonction paire f sur l’intervalle[−3π, 3π].
(b) Déterminer, pour tout entier naturel, les coefficients αn( f ) etβn( f ).
(c) Donner une série trigonométrique qui converge normalementsur R vers f .
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(d) En déduire les sommes
+∞∑n=1
(−1)n
n2 et+∞∑n=1
1
n2
(e) Déduire alors de la seconde somme la valeur de
+∞∑n=1
1
(2n+ 1)2.
Partie 4 : une application
15. Justifier que la fonction x 7→ ln(1+x)x
est intégrable sur l’intervalle]0,1[ puis démontrer que∫ 1
0
ln(1+ x)x
d x =π2
12·
16. La somme d’une série trigonométrique qui converge normalementsur R est-elle nécessairement une fonction dérivable sur R ?Proposer une condition suffisante sur les séries
∑nan et
∑nbn
pour que la somme de la série trigonométriquen∑(an cos(nx) +
bn sin(nx)), qui converge normalement sur R soit une fonction dé-rivable sur R.
17. Déterminer la somme de la série trigonométrique∑
n3n cos(nx).
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Solutions
Une correction de l’exercice 10.1 énoncé(a) Ý ⋆ Si x ∈ [0 ; π/2[, 0 ⩽ sin(x) < 1, donc fn(x) =
cos(x) sin(x)n −−−−→n−→+∞ 0 ;
⋆ si x = π/2, fn(x) = 0−−−−→n−→+∞ 0.
On en déduit que�
fn�
n∈N converge simplement sur [0 ; π/2]vers la fonction nulle.
Ý Étudions fn− 0
[0 ;π/2]
∞ quand n→+∞.Soit n ∈ N, fn est dérivable sur [0 ; π/2], de dérivée
f ′n(x) = (. . .)
= (n+ 1) (sin(x))n−1�
cos(x)− 1pn+ 1
��cos(x) +
1pn+ 1
�,
qui est positive à gauche de αn = arccos�
1pn+1
�, nulle en αn,
et négative à droite de αn.Le tableau des variations de fn donne alors fn
[0 ;π/2]
∞ = cos(αn) sin(αn)n
=1p
n+ 1sin(αn)
n
⩽1p
n+ 1
qui entraîne par encadrement que fn
[0 ;π/2]
∞ −−−−→n−→+∞ 0
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0 π8
π4
3π8
π2
0
0.2
0.4
0.6n= 1
n= 11n= 21
n= 31n= 41
(b) Ý Pour tout réel x fixé,
fn(x) =ne−x + 1
n+ x2 ∼n→+∞
ne−x
n= e−x ,
donc la suite de fonctions�
fn�
n∈N converge simplement versf : x 7→ e−x sur R.
Ý Pour tout n ∈ N,
fn(x)− f (x) =1− x2e−x
n+ x2 −−−−→x−→−∞ −∞donc fn − f n’est pas bornée sur R, ce qui rend impossible laconvergence uniforme de
�fn�
n∈N sur R.Ý En revanche, soit [a ; b]⊂ R, alors pour tout réel x fixé,�� fn(x)− f (x)
��= ����1− x2e−x
n+ x2
����⩽
1
n
��1− x2e−x�� (car n+ x2 ⩾ n)
⩽1
n×M où M= max
x∈[a ; b]
��1− x2e−x��
(rappelons que toute fonction conti-nue sur un segment a un maximum)
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
donc fn− f [a ; b]
∞ ⩽1
nM−−−−→
n−→+∞ 0
ce qui prouve que�
fn�
n∈N converge uniformément sur tout seg-ment de R.
−5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 5
1
2
3
4
5
n= 1
n= 2
n= 3
n= 4
(c) On pose pour tout n ∈ N, fn : x 7→ nxe−nx2.
Pour tout x ∈ R, par croissances comparées,
fn(x)−−−−→n−→+∞ 0
donc�
fn�
n∈N converge simplement sur R vers la fonction nulle.
L’étude des variations de la fonction fn : x 7→ nxe−nx2montre que fn
R∞ = ��� fn
�1p2n
����−−−−→n−→+∞ +∞, donc la suite
�fn�
n∈N ne converge
pas uniformément sur R.
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−3 −2 −1 1 2 3
−2
−1.5
−1
−0.5
0.5
1
1.5
2
n= 1
n= 5
n= 9
n= 13
n= 17
(d) Pour tout x > 0, dès que n⩾ 1px,
inf�
n,1px
�=
1px−−−−→n−→+∞
1px
,
donc converge simplement vers x 7→ 1pxsur ]0 ; +∞[.
En revanche, pour x < 1n2 ,�� fn(x)− f (x)��= ����n− 1p
x
����−−−→x−→0+∞,
donc la différence fn− f n’est pas bornée sur ]0 ; +∞[, et il n’y apas convergence uniforme.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
0 1 2 3 40
1
2
3
4
n= 1n= 2n= 3
Une correction de l’exercice 10.2 énoncé1. On a (n−1)x
n→ x et donc, par théorème de composition des limites,
fn(x)→ ex , pour tout x ∈ R.Ainsi la suite de fonctions
�fn�
n∈N converge simplement sur R versexp.
−3 −2 −1 1 2
1
2
3
4
5
6
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2. Pour tout n ∈ N∗, et tout x ∈ R, posonsφn(x) = fn(x)− exp(x) = e
n−1n x − ex
= ex�
e− 1n x − 1
�,
cette fonction est dérivable sur R, de dérivée
φ′n(x) =n− 1
nex�
e− 1n x − n
n− 1
�.
Cette dérivée s’annule en αn = −n ln�
nn−1
�< 0, et par la décrois-
sance de x 7→ e− 1n x , est positive à gauche de αn, et négative à droite.
Par conséquent, φn est croissante sur�−∞ ; αn
�, puis décroissante.
Pour tout b > 0, on déduit des variations de φn, et du fait queφn(0) = 0= lim
x→−∞φn(x), que φn
]−∞ ; b]
∞ =max���φn(αn)
�� , ��φn(b)��� .
Sur une main,
φn(αn) = e−(n−1) ln�
nn−1
�− e−n ln
�n
n−1
�= e(n−1) ln(1− 1
n)− en ln(1− 1n)
or
(n− 1) ln�
1− 1
n
�∼
n→+∞n ln�
1− 1
n
�∼
n→+∞n×�−1
n
�=−1
−−−−→n−→+∞ −1
donc
φn(αn)−−−−→n−→+∞ e−1− e−1 = 0.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Sur l’autre main (comme disent les anglais),
φn(b)−−−−→n−→+∞ e−b − e−b.
Ainsi, φn
]−∞ ; b]
∞ −−−−→n−→+∞ 0,
ce qui prouve la convergence uniforme sur ]−∞, b].
3. Pour tout n ∈ N∗, on a
φn(n) = en−1− en = en�
e−1− 1�
−−−−→n−→+∞ +∞
donc φn−0 n’est même pas bornée surR, ce qui empêche la conver-gence uniforme sur R tout entier.
Une correction de l’exercice 10.3 énoncé1. Ý Pour x = 0, fn(x) = 0−−−−→
n−→+∞ 0.
Ý Pour x ∈ ]0 ; 1], fn(x) ∼n→+∞2n x
n2n x2 =1
nx−−−−→n−→+∞ 0.
Donc la suite ( fn) converge simplement sur [0 ; 1] vers la fonctionnulle.
2. Sans trop de difficulté,
In =
∫ 1
0
2n x
1+ 2nnx2 d x
=�
1
2nln�1+ 2nnx2��1
0
=1
2nln(1+ 2nn).
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Ainsi, on trouve que
In =1
2nln(1+ 2nn) =
1
2nln�
2nn�
1+1
n2n
��=
1
2nn ln(2) +
1
2nln(n) +
1
2nln�
1+1
n2n
�−−−−→n−→+∞
ln(2)2·
Si la suite ( fn) convergeait uniformément sur [0,1], alors d’aprèsle théorème d’interversion limite-intégrale, on aurait
ln2
2= lim
n→+∞
∫ 1
0
fn(t)d t =
∫ 1
0
limn
fn(t)d t =
∫ 1
0
0d t = 0,
or ceci est faux, donc il n’y a pas convergence uniforme de ( fn) sur[0,1].
3. Posons xn =12n . Alors
∥ fn∥[0 ;1]∞ ⩾ fn(xn) =
1
1+ n2n
→ 1.
Donc ∥ fn∥[0 ; 1]∞ ne peut pas tendre vers 0, ce qui prouve directementque la suite ( fn) ne converge pas uniformément sur [0,1] vers lafonction nulle.
Une correction de l’exercice 10.4 énoncé1. Pour tout réel α,
Ý si x = 0, fn(0) = 0−−−−→n−→+∞ 0,
Ý si x ∈ ]0 ; +∞[, e−nx −−−−→n−→+∞ 0 car x > 0, donc par croissances
comparées nαe−nx −−−−→n−→+∞ 0, d’où fn(x)−−−−→n−→+∞ x.
Ainsi la suite des fonctions fn converge simplement sur [0 ; +∞[
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
vers x 7→ x.
2. On déduit de la question précédente que si la suite de fonctions�fn�
n∈N converge uniformément sur [0 ; +∞[, ce ne peut être quevers la limite simple f : x 7→ x.Pour tout n ∈ N∗, fn(x)− f (x) = xnαe−nx .L’étude des variations de la fonction ∆n : x 7→ xnαe−nx montreque cette fonction, qui est positive, est croissante sur
�0 ; 1
n
�, et
décroissante sur�
1n
; +∞� ∆n, ainsi ∆n
[0 ;+∞[∞ =∆n
�1
n
�=
e−1
n1−α ,
donc fn− f
[0 ;+∞[∞ tend vers 0 si, et seulement si, 1−α> 0, c’est-
à-dire α< 1.
3. Dans cette question on cherche la limite
limn→+∞
∫ 1
0
fn(x)d x
pour α = 12. Or on a vu que pour cette valeur de α, la suite des fn
converge uniformément sur [0 ; +∞[, donc a fortiori sur le segment[0 ; 1].Par conséquent, on peut intervertir la limite et l’intégrale :
limn→+∞
∫ 1
0
fn(x)d x =
∫ 1
0
limn→+∞ fn(x)d x
=
∫ 1
0
xd x =1
2·
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Une correction de l’exercice 10.5 énoncé1. Pour x = 0, on a en effet un(0) = 0, qui est bien le terme général
d’une série convergente.Pour x > 0, on a un(x) ∼n→+∞
xn2 , qui est aussi le terme général d’une
série convergente.2. Pour tout x ∈ [0,A],
|un(x)|⩽ A
n2 ,
terme général d’une série convergente. On a donc convergencenormale, et a fortiori uniforme, sur [0 ; A].
3. Il suffit d’écrire que, pour n+ 1 ⩽ k ⩽ 2n, on a n2 + k2 ⩽ 5n2, etdonc n
n2+k2 ⩾ 15n. On obtient finalement
2n∑k=n+1
n
n2+ k2 ⩾2n∑
k=n+1
1
5n= n× 1
5n=
1
5.
4. Pour tout n ∈ N et tout x ⩾ 0, Rn
[0 ;+∞[∞ = sup
x⩾0
��Rn(x)��= sup
x⩾0
����� +∞∑k=n+1
uk(x)
�����⩾����� +∞∑k=n+1
uk(n)
�����⩾����� 2n∑k=n+1
uk(n)
�����= 2n∑k=n+1
n
n2+ k2 ⩾1
5
donc Rn
[0 ;+∞[∞ ne peut tendre vers 0, et la convergence uniforme
sur [0 ; +∞[ est impossible.5. On utilise le critère spécial des séries alternées. Pour tout x fixé dans[0 ; +∞[, la suite (un(x)) est positive, décroissante et tend vers 0.La série
∑(−1)nun(x) est donc convergente, et on a la majoration
du reste :��Rn−1(x)��= ����� +∞∑
k=n+1
(−1)nuk(x)
�����⩽ un(x) =x
n2+ x2 .
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Reste à majorer le membre de droite de l’équation précédente parun terme qui tend vers 0 et ne dépend pas de x. Mais on a
x
n2+ x2 ⩽p
x2+ n2
n2+ x2 ⩽1p
x2+ n2⩽
1
n.
d’où la convergence uniforme sur R+.6. Puisque |(−1)nun(x)| = |un(x)|, la convergence normale sur [0,A]
se démontre comme ci-dessus.
7. D’autre part, si on avait convergence normale sur R+, alors onaurait aussi convergence normale de la série
∑n un(x) sur R+, donc
convergence uniforme de cette même série, ce qui n’est pas le casd’après la première question.
Une correction de l’exercice 10.6 énoncé
1. vn
[0 ;+∞[∞ = 1p
n, donc pas de convergence normale sur [0 ; +∞[.
2. Avec le critère spécial des séries alternées,
∀x ⩾ 0,��RN(x)
��= ����� +∞∑n=N+1
(−1)npn+ x
�����⩽���� (−1)np
n+ x
����⩽ 1pn·
donc RN
[0 ;+∞[∞ ⩽
1pn
,
d’où la convergence uniforme sur [0 ; +∞[.Une correction de l’exercice 10.7 énoncé
, car∑ gn
[0 ; 1]
∞ =∑
1nest une série divergente.
Mais pour tout x ∈ [0 ; 1], et tout n ∈ N∗, fn(x) =1⌊ 1
x ⌋seulement pour
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n= ⌊ 1x⌋, et vaut 0 sinon.
Ainsi, pour tout N ∈ N∗,Ý pour tout x ∈ [0 ; 1],
N∑n=1
fn(x) −−−−→N−→+∞1⌊ 1
x ⌋, donc la série converge
simplement sur [0 ; 1] ;
Ý pour tout x ∈ [0 ; 1], RN(x) =+∞∑
n=N+1fn(x) =¨
0 si x ⩾ 1/N,1⌊ 1
x ⌋⩽ 1
Nsinon,
donc RN
[0 ; 1]
∞ =
+∞∑n=N+1
fn
[0 ; 1]
∞⩽ 1
Nqui tend vers 0, ce qui prouve
que la série converge uniformément sur [0 ; 1].
Une correction de l’exercice 10.8 énoncé
(1) Notons fn(x) =sin(nx)1+n2 x2 .
Ý Pour tout réel x, et tout n ∈ N∗,���� sin(nx)1+ n2 x2
����⩽ 1
1+ n2 x2 =n→+∞O
�1
n2
�donc par domination
∑fn(x) converge pour tout réel x, donc∑
fn converge simplement sur R.Ý La convergence uniforme est difficile à étudier.
Ý Pour tout n ∈ N∗, fn
]0 ;+∞[∞ ⩾
���� fn
�1
n
�����= sin(1)2
,
donc fn
]0 ;+∞[∞ ne peut pas tendre vers 0, et la série∑ fn
]0 ;+∞[∞ diverge grossièrement.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Ý Pour tout n ∈ N∗, et tout segment [a ; b]⊂ ]0 ; +∞[, fn
[a ; b]
∞ ⩽1
1+ n2a2 =n→+∞O
�1
n2
�d’où la convergence normale sur tout segment de ]0 ; +∞[.
(2) Ý Pour tout n ∈ N∗ et tout x > 0, on reconnaît dans∑ (−1)n−1e−nxp
nune série alternée qui vérifie les conditions du critère de Leibniz,donc on a converge simplement sur ]0 ; +∞[.
Ý Toujours grâce au critère de Leibniz, on sait majorer le reste :
∀N ∈ N∗, ��RN(x)��= ����� +∞∑
n=N+1
(−1)n−1e−nx
pn
�����⩽�����(−1)Ne−(N+1)x
pN+ 1
�����⩽ 1pN+ 1
d’où la convergence uniforme sur ]0 ; +∞[.Ý D’une part fn
]0 ;+∞[∞ =
1pn
et∑
1pndiverge, donc il n’y a pas convergence normale sur
]0 ; +∞[.D’autre part, pour tout segment [a ; b]⊂ ]0 ; +∞[, fn
[a ; b]
∞ =e−na
pn⩽�e−a�n
or��e−a
�� < 1, donc∑�
e−a�n est une série géométrique
convergente, et par domination,∑ fn
[a ; b]
∞ converge. La sérieconverge donc normalement sur tout segment de ]0 ; +∞[.
(3) En guise de préambule, je rappelle qu’il est un exercice courant deprouver à l’aide des variations de la fonction □ 7→ □− sin(□) quepour tout □ ∈ R, |sin(□)|⩽ |□|.On pose fn : x 7→ 1
nsin x
n.
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Ý D’après le préambule, pour tout x ∈ R,����1n sinx
n
����⩽ 1
n��� xn
��� =n→+∞O
�1
n2
�,
d’où la convergence simple sur R.Ý Ici aussi, il n’y a pas de moyen simple d’évaluer le reste de la
série, donc on n’étudiera pas la convergence uniforme.Ý Pour tout n ∈ N∗, fn
R∞ ⩾ ���� fn
�2π+ n
π
2
�����= 1
n
donc par domination, comme�
1n
�n∈N∗ n’est pas sommable,
alors� fn
R∞�n∈N∗ ne l’est pas non plus, donc (comme c’est une
suite de termes positifs)∑ fn
R∞ diverge. La série ne convergedonc pas normalement sur R.
Ý En revanche sur tout segment [a ; b] ⊂ R, en notant α =max(|a| , |b|),
∀x ∈ [a ; b] ,
����1n ���sin x
n
�������⩽ |x |n2 ⩽α
n2
donc fn
[a ; b]
∞ ⩽α
n2 =n→+∞O
�1
n2
�,
d’où la convergence normale sur tout segment.(4) On pose un : x 7→ x
(1+x2)n.
Ý D’une part un(0) = 0 donc∑
un(0) converge .D’autre part, pour tout réel x > 0,��un(x)
��= x �
1
1+ x2
�n
=n→+∞O
��1
1+ x2
�n�,
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
or��� 1
1+x2
��� < 1, donc∑�
11+x2
�nest une série géométrique
convergente, et par domination∑
un(x) converge.On a donc établi la convergence simple de
∑un sur [0 ; +∞[.
Ý Soit x > 0, et N ∈ N,��RN(x)
��= ����� +∞∑n=N+1
un(x)
�����= |x |
+∞∑n=N+1
�1
1+ x2
�n
= x �
1
1+ x2
�N+1 +∞∑n=0
�1
1+ x2
�n
= x �
1
1+ x2
�N+1
× 1
1−�
11+x2
�=
1
x�
1
1+ x2
�N
ainsi RN
]0 ;+∞[∞ ⩾
����RN
�1
N
�����= N�
1+1
N2
�−N
= N× e−N ln�
1+ 1N2
�
et
N× e−N ln�
1+ 1N2
�−−−−→N−→+∞ +∞
(car −Nln�
1+ 1N2
� ∼N→+∞− 1
N,
donc e−N ln�
1+ 1N2
�−−−−→N−→+∞ 1)
donc RN n’est pas bornée sur ]0 ; +∞[, et par conséquent il nepeut y avoir de convergence uniforme sur ]0 ; +∞[, et encoremoins sur [0 ; +∞[.
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Ý En revanche, pour tout segment [a ; b]⊂ ]0 ; +∞[, RN
[a ; b]
∞ ⩽1
a�
1
1+ a2
�N
d’où la convergence uniforme sur tout segment de ]0 ; +∞[.Ý Pour les mêmes raisons, un
]0 ;+∞[∞ ⩾
����un
�1
n
�����= n�
1+1
n2
�−n
−−−−→n−→+∞ +∞
donc pas de convergence normale sur ]0 ; +∞[,mais un
[a ; b]
∞ ⩽1
a�
1
1+ a2
�n
d’où la convergence normale sur tout segment de ]0 ; +∞[.(5) On pose un(x) =
xe−nx
ln(n).
Ý Pour tout x > 0, un(x) =n→+∞ o�e−nx�, or e−nx =
�e−x�n est le
terme général d’une suite géométrique sommable, donc∑
un
converge simplement sur ]0 ; +∞[.Ý On abandonne la convergence uniforme.
Ý Pour tout entier n> 1, les variations de x 7→ xe−nx montre quesa norme infinie sur ]0 ; +∞[ est ��un(1/n)
��= e−1
n. Donc comme
ln(n) ne dépend pas de x, un
]0 ;+∞[∞ = e−1
n ln(n).
Or la fonction h : x 7→ 1x ln(x)
est continue, décroissante et stricte-
ment positive sur [2 ; +∞[, donc la série∑
1n ln(n)
est de même
nature que l’intégrale∫ +∞
21
x ln(x)d x, qui par le changement de
variables u = ln(x) se transforme en∫ +∞
ln(2)1ud u. Donc comme
28/76
Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
cette dernière diverge, on en déduit que∫ +∞
21
x ln(x)d x diverge
aussi, donc que∑
1n ln(n)
diverge, et enfin que∑
un ne convergepas normalement sur ]0 ; +∞[.
Ý En revanche, pour tout entier n> 1 pour tout segment [a ; b]⊂]0 ; +∞[, un
[a ; b]
∞ ⩽b× e−na
ln(n)=
n→+∞ o�(e−a)n
�d’où la convergence normale sur tout segment.
(6) On pose un(x) =∫ +∞
0sin(t+nx)
n3+t2 d t. Pour tout x ∈ R, n ∈ N∗, et t > 0,����sin(t + nx)n3+ t2
����⩽ 1
n3+ t2 ·
Or t 7→ 1n3+t2 est intégrable sur ]0 ; +∞[, d’intégrale∫ +∞
0
1
n3+ t2 d t =�
1
n3/2arctan
� t
n3/2
��+∞0=
1
n3/2× π
2,
donc par croissance de l’intégrale :∫ +∞0
sin(t + nx)n3+ t2 d t ⩽
∫ +∞0
1
n3+ t2 d t =1
n3/2× π
2,
donc ceci étant vrai pour tout réel x : un
R∞ ⩽ 1
n3/2× π
2=
n→+∞O�
1
n3/2
�d’où la convergence normale sur R.
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Une correction de l’exercice 10.9 énoncéOn choisit un réel α strictement positif, et pour tout n ∈ N∗, on pose
∀x ⩾ 0, un(x) =x
nα(1+ nx2)·
1. (a) Soit x un réel de [0 ; +∞[.Ý Si x = 0, un(0) = 0 donc
∑un(0) converge.
Ý Si x > 0,��un(x)��= x
nα× (1+ nx2)∼
n→+∞x
nα× nx2 =1
x× 1
nα+1 ·
Or α+ 1 > 1, donc la série de Riemann∑
1nα+1 converge,
d’où par le critère d’équivalence des séries à termes positifs,∑un(x) converge absolument.
Ainsi pour tout x ∈ [0 ; +∞[, ∑un(x) converge, ce quiprouve que la série de fonctions
∑un converge simplement
sur [0 ; +∞[.(b) Pour tout n ∈ N∗, la fonction un est dérivable sur [0 ; +∞[, de
dérivée
u′n : x 7→ 1
nα× 1× (1+ nx2)− x × 2nx
(1+ nx2)2=
1− nx2
nα(1+ nx2)2
qui est négative surh
0 ; 1pn
iet positive sur
h1pn
; +∞h.
Ainsi un est croissante surh
0 ; 1pn
iet décroissante surh
1pn
; +∞h, et comme elle est positive et continue sur
[0 ; +∞[, on en déduit que son maximum est un
[0 ;+∞[∞ = un
�1pn
�=
1
2n1/2+α·
30/76
Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Enfin la série de fonctions∑
un converge normalement sur[0 ; +∞[ si, et seulement si, la série numérique
∑ un
[0 ;+∞[∞
converge, ce qui, par le critère d’équivalence des séries àtermes positifs, est vrai si, et seulement si, la série
∑1
2n1/2+α =12
∑1
n1/2+α converge.S’agissant d’une série de Riemann, celle-ci converge si, etseulement si, α+ 1
2> 1, c’est-à-dire α> 1
2.
(c) En revanche pour tout segment [a ; b] de ]0 ; +∞[, on a pourtout x ∈ [a ; b],
0⩽ un(x)⩽b
nα(1+ na2)
donc un
[a,b]
∞ ⩽b
nα(1+ na2)·
Orb
nα(1+ na2)∼
n→+∞b
a2 ×1
nα+1
et la série de Riemann∑
1nα+1 converge car α+ 1> 1.
Ainsi par majoration,∑ un
[a,b]
∞ converge, et par conséquent,∑un converge sur tout segment de ]0 ; +∞[ pour tout réel
α> 0.
(d) On suppose que α⩽ 12.
Pour tout x ∈ [0 ; +∞[, les uk(x) sont positifs, donc pour toutn ∈ N∗,
Rn(x) =+∞∑
k=n+1
uk(x)⩾2n∑
k=n+1
uk(x).
De plus pour tout k ∈ Jn+ 1,2nK, comme α⩽ 12,
kα ⩽ k1/2 =p
k ⩽p
2n
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doncuk(x) =
x
nα(1+ kx2)⩾
xp2n(1+ kx2)
et en additionnant ces inégalités pour k allant de n+ 1 à 2n,
Rn(x)⩾2n∑
k=n+1
xp2n(1+ kx2)
·
(e) Pour tout n ∈ N∗ et tout k ∈ Jn+ 1,2nK, on a mêmexp
2n(1+ kx2)⩾
xp2n(1+ 2nx2)
et en additionnant derechef ces inégalités pour k allant de n+1à 2n,
Rn(x)⩾2n∑
k=n+1
xp2n(1+ 2nx2)
= n× xp2n(1+ 2nx2)
=nxp
2n(1+ 2nx2)·
Ainsi en notant fn(x) =nxp
2n(1+2nx2), on en déduit que Rn
[0 ;+∞[∞ ⩾
fn
[0 ;+∞[∞ .
Or fn est dérivable sur [0 ; +∞[ de dérivée
f ′n : x 7→ n(1− 2nx2)p2n(1+ 2nx2)2
.
On en déduit sans difficulté que fn
[0 ;+∞[∞ = fn
�1p2n
�= 1
4.
Ainsi Rn
[0 ;+∞[∞ ⩾
1
4
ce qui empêche la suite des Rn
[0 ;+∞[∞ de tendre vers 0.
Donc la série∑
fn ne converge pas uniformément sur[0 ; +∞[.
32/76
Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
2. (a) On a vu dans la question 1.(c) que la série∑
un converge nor-malement sur tout segment de ]0 ; +∞[, or les fonctions un
sont des fractions rationnelles définies sur R donc a fortioricontinues sur ]0 ; +∞[, donc le théorème de continuité des sé-
ries de fonctions permet de conclure que Sα =+∞∑n=1
un est conti-
nue sur ]0 ; +∞[.(b) De même, on vu que pour α ⩾ 1
2, la série de fonctions
∑un
converge normalement sur [0 ; +∞[, donc le même théorème
permet encore de conclure que pour α ⩾ 12, Sα =
+∞∑n=1
un est
continue sur [0 ; +∞[.(c) On suppose α⩽ 1
2, et on prend x > 0.
-i)- La fonction f : t 7→ xtα(1+t x2)
est positive et continue sur[1 ; +∞[.De plus, f (t) ∼
t→+∞1x× 1
tα+1 , et comme α + 1 > 1, la
fonction t 7→ 1tα+1 est intégrable sur [1 ; +∞[, ainsi que
t 7→ 1x× 1
tα+1 , donc par le critère d’équivalence appliqué
aux fonctions positives,∫ +∞
1f =
∫ +∞1
�� f �� converge, cequi revient à affirmer que f est intégrable sur [1 ; +∞[.
-ii)- Je vous laisse établir par inégalités successives que f estdécroissante sur [1 ; +∞[.On en déduit de façon désormais classique que pour toutk ∈ N∗,
f (k+ 1)⩽∫ k+1
k
f (t)d t ⩽ f (k) = uk(x),
puis il ne nous reste plus qu’à additionner les inégalitésde droite pour k allant de 1 à +∞ (on peut car l’intégrale
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et la série qui apparaissent convergent) pour obtenir∫ +∞1
f (t)d t ⩽ Sα(x).
-iii)- On pose u =p
t dans l’intégrale, la fonction t 7→ ptétant bien une bijection de classe C1 de [1 ; +∞[ dans[1 ; +∞[, on obtient d u= 1
2p
td t, puis∫ +∞
1
xpt (1+ t x2)
d t = 2
∫ +∞1
x
(1+ u2 x2)d u
= 2 limA→+∞
∫ A
1
x
(1+ u2 x2)d u
!= 2 lim
A→+∞h
arctan(x u)iA
1
= 2 limA→+∞ (arctan(x A)− arctan(x))
= 2�π
2− arctan(x)
�.
-iv)- On sait que pour tout x > 0,∫ +∞1
xpt (1+ t x2)
d t ⩽ S 12(x)
donc2�π
2− arctan(x)
�⩽ S 1
2(x)
or limx→0
2�π
2− arctan(x)
�= π, donc par prolongement
des inégalités larges à la limite, limx→0
S 12⩾ π.
Mais S 12(0) =
+∞∑n=1
0 = 0, donc limx→0
S 12̸= 0, ce qui prouve
que S 12n’est pas continue en 0.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Enfin, α⩽ 12, donc pour tout n ∈ N∗, nα ⩽pn, puis pour
tout x > 0,
x
nα(1+ nx2)⩾
xpn(1+ nx2)
,
d’où après addition pour n allant de 1 à +∞,
Sα(x)⩾ S 12(x),
ce qui empêche à nouveau Sα(x) de tendre vers Sα(0) =0.Donc Sα n’est pas continue en 0 non plus.
Une correction de l’exercice 10.10 énoncé1. Pour tout (p, q) ∈ N∗ × N, la fonction x 7→ x p lnq(x) est continue
sur ]0 ; 1], et tend vers 0 quand x → 0 par croissances comparées,donc elle est prolongeable en une fonction continue sur [0 ; 1], cequi en fait une fonction intégrable sur ]0 ; 1]. Ainsi I(p, q) est bienune intégrale convergente.Pour tout (p, q) ∈ N∗ ×N, les fonctions u : x 7→ 1
p+1x p+1 et v : x 7→
lnq+1(x) sont de classe C1 sur ]0 ; 1], et par croissances comparéesleur produit tend vers 0 en 0, et vaut 0 en 1, donc une intégrationpar parties donne :
I(p, q+ 1) =
∫ 1
0
x p (ln x)q+1 d x =
∫ 1
0
u′(x)v(x)d x
=h
u(x)v(x)i1
0−∫ 1
0
1
p+ 1x p+1(q+ 1)× 1
x× (ln x)q d x
=−q+ 1
p+ 1
∫ 1
0
x p (ln x)q d x =−q+ 1
p+ 1× I(p, q).
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
On en déduit par récurrence que pour tout (p, q) ∈ N∗×N,
I(p, q) =− q
p+ 1×�−q− 1
p+ 1
�× · · · ×
�− 1
p+ 1
�I(p, 0)
= (−1)qq!
(p+ 1)q× 1
p+ 1(car I(p, 0) =
∫ 1
0x pd x = 1
p+1,)
= (−1)qq!
(p+ 1)q+1 .
Pour tout n ∈ N∗, il nous suffit alors de prendre p = q = n pourconclure que∫ 1
0
(x ln x)n d x =
∫ 1
0
x p (ln x)q d x = (−1)nn!
(n+ 1)n+1 .
2. Ý La fonction x 7→ x x = ex ln x est continue sur ]0 ; 1], et commepar croissances comparées x ln x −−−→
x−→00, donc x x −−−→
x−→01, on
peut conclure que x 7→ x x est prolongeable en une fonctioncontinue, que l’on va noter f , sur [0 ; 1], et que
∫ 1
0x xd x =∫ 1
0f (x)d x est une intégrale convergente.
Ý Pour tout x ∈ ]0 ; 1], grâce à la série exponentielle :
f (x) = ex ln(x) =+∞∑n=0
(x ln x)n
n!.
Pour tout n ∈ N∗, notons fn : x 7→¨
(x ln x)n
n!si x ∈ ]0 ; 1],
0 si x = 0., et
f0 la fonction constante égale à 1 sur [0 ; 1].
⋆ Pour tout n ∈ N, fn est continue sur [0 ; 1] (par croissancescomparées en 0).
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
⋆ La fonction g : x 7→ x ln x, est dérivable sur ]0 ; 1] de dé-rivée x 7→ ln(x) + 1, négative sur
�0 ; e−1�, et positive sur�
e−1 ; 1�, donc cette fonction g est décroissante sur
�0 ; e−1�
et croissante sur�
e−1 ; 1�, avec lim
x→0g(x) = lim
x→0x ln(x) = 0 et
g(1) = 0. On en déduit que pour tout x ∈ ]0 ; 1], |x ln(x)| ⩽��g(e−1)��= e−1.
Ainsi pour tout n ∈ N∗, pour tout x ∈ [0 ; 1],�� fn(x)��= |x ln(x)|n
n!⩽
e−n
n!,
d’où fn
[0 ; 1]
∞ ⩽e−n
n!·
Or la série∑
e−n
n!converge, car c’est la série exponentielle
de somme ee−1, donc par majoration
∑ fn
[0 ; 1]
∞ converge, etpar conséquent
∑fn converge normalement, donc uniformé-
ment, sur [0 ; 1].
On peut donc appliquer le théorème d’intégration terme à
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
terme, qui nous donne∫ 1
0
x xd x =
∫ 1
0
f (x)d x =
∫ 1
0
+∞∑n=0
fn(x)d x
=+∞∑n=0
∫ 1
0
fn(x)d x (par intégration terme àterme)
=+∞∑n=0
∫ 1
0
(x ln x)n
n!d x =
+∞∑n=0
1
n!
∫ 1
0
(x ln x)nd x
=+∞∑n=0
1
n!× (−1)n
n!
(n+ 1)n+1 =+∞∑n=0
(−1)n
(n+ 1)n+1
=+∞∑n=1
(−1)n−1
nn (en posant n′ = n+ 1).
Une correction de l’exercice 10.11 énoncé1. Ý
Vérifier que la fonction f : x 7→ +∞∑n=1
1n(1+nx)
est définie
sur ]0 ; +∞[ revient à vérifier que pour tout x > 0,+∞∑n=1
1n(1+nx)
existe, autrement dit que pour tout x > 0,
la série∑
1n(1+nx)
converge. Par conséquent, répondre àcette question revient à prouver la convergence simplesur ]0 ; +∞[ de la série des fonctions fn : x 7→ 1
n(1+nx).
Pour tout x ∈ ]0 ; +∞[,fn(x) =
1
n(1+ nx)∼
n→+∞1
n2 x= O
�1
n2
�,
d’où (...blablabla...).
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Ý Pour tout n ∈ N∗, la fonction un : x 7→ 1n(1+nx)
est continue sur]0 ; +∞[.De plus un est décroissante sur ]0 ; +∞[, donc⋆ un
]0 ;+∞[∞ = 1
nqui n’est pas sommable,
⋆ mais en revanche, pour tout segment [a ; b] ⊂ ]0 ; +∞[, un
[a ; b]
∞ = un(a) qui est sommable (car convergence simplesur ]0 ; +∞[),
donc∑
un converge normalement sur tout segment de]0 ; +∞[.On peut ainsi conclure que f =
+∞∑n=1
un est continue sur ]0 ; +∞[.2. Pour tout n ∈ N∗, fn : x 7→ 1
n(1+nx)est strictement décroissante
sur ]0 ; +∞[, donc pour tous réels a, b tels que 0 < a < b, on afn(a)> fn(b), puis par convergence simple de
∑fn les deux séries∑
fn(a) et∑
fn(b), donc en additionnant ces inégalités de n = 1à +∞, par conservation des inégalités larges à la limite, les sé-
ries concernées étant convergentes, on obtient+∞∑n=1
fn(a)⩾+∞∑n=1
fn(b),
c’est-à-dire f (a)⩾ f (b).
Donc f =+∞∑n=1
fn est décroissante sur ]0 ; +∞[.
N’oublions pas que même les fonctions non dérivables ontle droit d’avoir un sens de variations ! Donc avant de sejeter sur la dérivation de f pour connaître ses variations,on peut aussi comparer f (a) et f (b) pour a < b !
3. (a) On cherche limx→+∞
+∞∑n=1
1n(1+nx)
.
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Bien entendu, la première idée est que
limx→+∞
+∞∑n=1
1
n(1+ nx)=+∞∑n=1
limx→+∞
1
n(1+ nx)
=+∞∑n=1
0= 0,
mais ceci ne peut être affirmé a priori car aucun théo-rème du programme de PC ne nous donne ce résultat !
On va ramener cette limite quand x → +∞ à une limite en 0,en posant t = 1/x. plus précisément : pour tout tout t ∈ [0 ; 1],pour tout entier n ∈ N∗, posons
gn(t) =
¨fn
�1t
�= t
n(t+n)si t > 0,
0 si t = 0.
=t
n(t + n)
Alors :Ý gn est continue sur [0 ; 1] ;Ý pour tout n ∈ N∗, la fonction gn est aussi dérivable sur[0 ; 1], de dérivée
g ′n : t 7→ 1
(n+ t)2
positive. Donc gn est croissante sur [0 ; 1], et positive, d’où gn
[0 ; 1]
∞ = gn(1) =1
n(1+ n)∼
n→+∞1
n2 ·On en conclut la convergence normale, donc uniforme, sur
[0 ; 1] de+∞∑n=1
gn.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
On en déduit que+∞∑n=1
gn est continue sur [0 ; 1], et qu’en parti-
culier on a en 0 :
limt>−→0
+∞∑n=1
gn(t) =+∞∑n=1
gn(0) =+∞∑n=1
0= 0.
On en déduit en posant x = 1tque
limx→+∞
+∞∑n=1
1
n(1+ x)= 0.
(b)
Comme auparavant
x
n(1+ nx)∼
x→+∞1
n2 ,
donc, sur le brouillon où on a tous les droits, on écriten additionnant tout ça, au mépris de toutes les règlesde calcul sur les équivalents, que
+∞∑n=1
x
n(1+ nx)∼
x→+∞
+∞∑n=1
1
n2 =π2
6
d’où
+∞∑n=1
1
n(1+ nx)∼
x→+∞π2
6x·
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Ý Tout d’abord, on remarque que
limx→+∞
+∞∑n=1
x
n(1+ nx)= lim
t>−→0
+∞∑n=1
1/t
n(1+ n× 1/t)
= limt>−→0
+∞∑n=1
1
n(t + n)·
Ý Pour tout n ∈ N∗, la fonction hn : t 7→ 1n(t+n)
est conti-
nue sur [0 ; 1], et pour tout t ∈ [0 ; 1],��hn(t)
�� ⩽ 1n2 , donc hn
[0 ; 1]
∞ ⩽ 1n2 , ce qui entraîne la convergence normale de∑
hn sur [0 ; 1], puis la convergence uniforme.
Ainsi la fonction+∞∑n=1
hn est aussi continue sur [0 ; 1], et en
particulier
limt>−→0
+∞∑n=1
hn(t) =+∞∑n=1
hn(0) =+∞∑n=1
1
n2 =π2
6.
Ý Par conséquent
limx→+∞
+∞∑n=1
x
n(1+ nx)=π2
6,
* d’où
f (x) =+∞∑n=1
1
n(1+ nx)∼
x→+∞π2
6x·
4. Fixons un réel x dans ]0 ; +∞[.La fonction φ : t 7→ 1
t(1+t x)est décroissante sur ]0 ; +∞[. On en
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
déduit que pour tout n⩾ 2, par croissance de l’intégrale,∫ n+1
n
φ(t)d t ⩽∫ n+1
n
φ(n)d t = φ(n)
=
∫ n
n−1
φ(n)d t ⩽∫ n
n−1
φ(t)d t.
Pour tout N ⩾ 2, on additionne ces inégalités pour n allant de 2 àN, et on obtient grâce à la relation de Chasles :∫ N+1
2
φ(t)d t ⩽N∑
n=2
φ(n)⩽∫ N
1
φ(t)d t.
Or en remarquant que φ(t) = 1t− x
1+t x,∫ N+1
2
φ(t)d t = [ln(t)− ln(1+ t x)]N+12 =
�ln� t
1+ t x
��N+1
2
= ln�
N+ 1
1+ (N+ 1)x
�− ln
�2
1+ 2x
�= ln
1
1N+1+ x
!− ln
�2
1+ 2x
�−−−−→N−→+∞ ln
�1
x
�− ln
�2
1+ 2x
�= ln
�1+ 2x
2x
�.
De même ∫ N
1
φ(t)d t −−−−→N−→+∞ ln
�1+ x
x
�.
et commeN∑
n=2
φ(n) =N∑
n=1
1
n(1+ nx)− 1
1+ x−−−−→N−→+∞ f (x)− 1
1+ x
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
on en déduit par prolongement des inégalités larges à la limite, que
ln�
1+ 2x
2x
�⩽ f (x)− 1
1+ x⩽ ln
�1+ x
x
�,
qui équivaut à
− ln(x) + ln�
1+ 2x
2
�+
1
1+ x⩽ f (x)
f (x)⩽− ln(x) + ln (1+ x) +1
1+ x,
et dans le cas où x ∈ ]0 ; 1[, alors − ln(x)> 0, et on en déduit que
1− ln�
1+2x2
�ln(x)
− 1
(1+ x) ln(x)⩽
f (x)− ln(x)
f (x)− ln(x)
⩽ 1− ln (1+ x)ln(x)
− 1
(1+ x) ln(x)·
Par encadrement, on en déduit que
f (x)− ln(x)
−−−→x−→0
1
donc quef (x) ∼
x→0− ln(x).
Une correction de l’exercice 10.12 énoncéPour tout n ∈ N et x ∈ ]0 ; +∞[, on note fn(x) =
(−1)n
n+x.
1. Ý Soit x > 0.
⋆ la suite de terme général fn(x) =(−1)n
n+xest alternée,
⋆ la suite de terme général�� fn(x)
�� = 1n+x
est décroissante etconverge vers 0,
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
donc grâce au critère spécial des séries alternées, la série∑fn(x) converge, donc la série de fonctions
∑fn est simple-
ment convergente sur ]0 ; +∞[.Ý Pour tout x > 0, grâce au critère spécial des séries alternées, on
sait aussi que pour tout N ∈ N,��RN(x)
��= ����� +∞∑n=N+1
fn(x)
�����⩽ �� fN+1(x)��= 1
N+ 1+ x,
donc RN
]0 ;+∞[∞ ⩽
1
N+ 1
et par encadrement, limN→+∞
RN
]0 ;+∞[∞ = 0, ce qui prouve la
convergence uniforme de∑
fn sur ]0 ; +∞[.Mais les fonctions fn sont toutes continues sur ]0 ; +∞[, doncon peut conclure que f =
+∞∑n=0
fn est une fonction continue sur
]0 ; +∞[.Ý Soient 0< a < b,
f (b)− f (a) =∞∑
n=0
(−1)n
n+ b−∞∑
n=0
(−1)n
n+ a
=∞∑
n=0
(−1)n�
1
n+ b− 1
n+ a
�=∞∑
n=0
(−1)na− b
(n+ b)(n+ a)
= (a− b)∞∑
n=0
(−1)n
(n+ b)(n+ a)·
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La somme∞∑
n=0
(−1)n
(n+b)(n+a)est aussi la somme d’une série alternée
qui vérifie les conditions du critère spécial des séries alternées,
donc grâce à icelui, on sait que la somme∞∑
n=0
(−1)n
(n+b)(n+a)est du
signe de son premier terme 1ba.
Or ce terme est positif, donc f (b)− f (a) est du signe de (a− b),ce qui prouve que f est décroissante sur ]0 ; +∞[.
2. (a) Soit x > 0,
f (x) + f (x + 1)
=∞∑
n=0
(−1)n
n+ x+∞∑
n=0
(−1)n
n+ x + 1
=∞∑
n=0
(−1)n
n+ x+∞∑
n=1
(−1)n−1
n+ x(en posant n′ = n+ 1 dansla deuxième somme)
=∞∑
n=0
(−1)n
n+ x−∞∑
n=1
(−1)n
n+ x
=(−1)0
0+ x=
1
x·
(b) Quand x tend vers 0, x+1 tend vers 1, et comme f est continuesur ]0 ; +∞[ donc en 1, f (x + 1)−−−→
x−→0f (1).
Ainsi comme1
x−−−→x>−→0+∞, alors
f (x) =1
x− f (x + 1) =
1
x+ o
x→0
�1
x
�∼
x→0
1
x·
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Une correction de l’exercice 10.13 énoncéNotons encore une fois pour tout n ∈ N, fn : x 7→ 1
2n tan�
x2n
�.
1.
On veut prouver la convergence normale de la série desfn, mais on a un problème avec f0 qui n’est pas bornéesur
�−π2
; π2
�. On va donc travailler sur la série des fn avec
n ⩾ 1, puis ajouter à la fin la fonction f0 qui est aussicontinue sur
�−π2
; π2
�.
Ý Tout d’abord, on constate que les fonctions fn sont toutes conti-nues sur
�−π2
; π2
�.
Ý Pour tout n ∈ N∗, et tout x ∈ �−π2
; π2
�, on sait que, comme on
a bien pris n⩽ 1,
−π4⩽
x
2n ⩽π
4,
donc la fonction tan étant croissante sur cet intervalle
tan�−π
4
�=−1⩽ tan
� x
2n
�⩽ tan
�π4
�= 1
d’où �� fn(x)��⩽ 1
2n =�
1
2
�n
·
Par conséquent, fn
]−π2 ; π2 [
∞ ⩽�
12
�n.
Ý Ainsi, comme la suite géométrique de raison 12est sommable,
on en déduit par domination que la suite de terme général fn
]−π2 ; π2 [
∞ est aussi sommable, donc que la série des fonctionsfn (pour n ⩾ 1) converge normalement, et a fortiori uniformé-ment, et à plus fortes raisons simplement, sur
�−π2
; π2
�.
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Ý On en déduit que la fonction somme+∞∑n=1
fn est définie et conti-
nue sur cet intervalle�−π
2; π
2
�, et comme f0 est aussi continue
sur cet intervalle, on peut conclure que f0 ++∞∑n=1
fn =+∞∑n=0
fn est
continue sur�−π
2; π
2
�.
2. Soit x ∈ R. Au rang N= 0,
2N+1 sin� x
2N
�×
N∏n=0
cos� x
2n
�= 2sin(x) cos(x) = sin(2x).
Supposons que pour un N ∈ N,
2N+1 sin� x
2N
� N∏n=0
cos� x
2n
�= sin(2x),
alors au rang suivant :
2N+2 sin� x
2N+1
� N+1∏n=0
cos� x
2n
�= 2N+2 sin
� x
2N+1
�×
cos� x
2N+1
�×
N∏n=0
cos� x
2n
�!= 2N+1
�2sin
� x
2N+1
�× cos
� x
2N+1
��×
N∏n=0
cos� x
2n
�= 2N+1
�sin�
2× x
2N+1
�� N∏n=0
cos� x
2n
�(car sin(2□) = 2sin(□) cos(□))
= 2N+1 sin� x
2N
� N∏n=0
cos� x
2n
� (on reconnaît ici la quan-tité de l’hypothèse de ré-currence).
= sin(2x) c.q.f.d.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
3. Soit x ∈ �−π2
; π2
�. On a établi à la question 1 la convergence nor-
male, donc uniforme, sur�−π
2; π
2
�de la série dont la somme est
f . Cette convergence est alors encore vraie sur tout segment decet intervalle, sur lequel on peut donc intégrer la somme terme àterme :∫ x
0
f (t)d t =
∫ x
0
+∞∑n=0
1
2n tan� t
2n
�!d t
=+∞∑n=0
∫ x
0
tan� t
2n
� 1
2n d t
=+∞∑n=0
∫ x/2n
0
tan(u)d u (en posant u= t2n )
=+∞∑n=0
h− ln |cos(u)|
ix/2n
0
(il est pratique de savoir que :tan= sin
cos=− (cos)′
cos= (− ln |cos|)′)
=−+∞∑n=0
ln
����cos� x
2n
����� .Cette somme est, par définition de la convergence d’une série, lalimite de la somme finie
N∑n=0
ln
����cos� x
2n
�����= ln
����� N∏n=0
cos� x
2n
������!
,
et grâce à la question précédente, pour x ̸= 0,
N∑n=0
ln
����cos� x
2n
�����= ln
����� sin(2x)
2N+1 sin�
x2N
������!
.
Or x2N −−−−→N−→+∞ 0, donc sin
�x
2N
� ∼N→+∞
�x
2N
�, et
2N+1 sin� x
2N
�∼
N→+∞2N+1×� x
2N
�= 2x −−−−→
N−→+∞ 2x ,
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
donc par continuité du logarithme et de la valeur absolue
ln
����� sin(2x)
2N+1 sin�
x2N
������!−−−−→N−→+∞ ln
�����sin(2x)2x
����� .
On peut donc conclure que pour tout réel non nul x de�−π
2; π
2
�,∫ x
0
f (t)d t =− ln
�����sin(2x)2x
����� .
Enfin, grâce au théorème fondamental de l’analyse, comme on saitque f est continue sur
�−π2
; π2
�, on peut affirmer que la fonction
x 7→ ∫ x
0f (t)d t est la primitive de f qui s’annule en 0. On va donc,
sur x ∈ �−π2
; π2
�\{0}, dériver la fonction x 7→ − ln���� sin(2x)
2x
���� pour
obtenir f :
∀x ∈�−π
2;π
2
�\ {0} , f (x) =
2
tan (2x)− 1
x·
f (0) =+∞∑n=0
fn(0) =+∞∑n=0
0= 0.
Une correction de l’exercice 10.14 énoncéTiens ! J’ai une idée : et si on appelait fn la fonction x 7→ xn
1+x2n ? Pasbête, non ?1. Pour tout réel x non nul,
xn
1+ x2n ∼n→+∞xn
1= xnsi |x |< 1,
∼n→+∞
xn
x2n =�
1
x
�n
si |x |> 1,
donc si x ̸= ±1, fn(x) équivaut au terme général d’une suite som-
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
mable, d’où la convergence simple de∑
fn et la définition de S surR.En revanche,
∑fn(1) =
∑12et∑
fn(−1) = 12(−1)n divergent, et S
n’est pas définie en ±1.2. On remarque que sur tout segment [a ; b]⊂ ]−1 ; 1[, fn
[a ; b]
∞ ⩽ αn, où α=max(|a| , |b|)< 1,
d’où la convergence normale, et a fortiori uniforme, de∑
fn surtout segment de ]−1 ; 1[. On en déduit, les fn étant continues surR, que S est continue sur ]−1 ; 1[.Enfin, pour tous x ∈ R \ {±1} et n ∈ N,
fn
�1
x
�=
1xn
1+ 1x2n
=x2n× 1
xn
x2n× �1+ 1x2n
�=
xn
1+ x2n = fn(x),
donc S�
1x
�= S(x).
Ainsi, par continuité de inv : x 7→ 1xsur ]−∞ ; −1[ ∪ ]1 ; +∞[ à
valeurs dans ]−1 ; 0[∪]0 ; 1[, et continuité de S sur ]−1 ; 0[∪]0 ; 1[,on en déduit que S = S ◦ inv est encore continue sur ]−∞ ; −1[ ∪]1 ; +∞[.
3. Ý Tout d’abord, la remarque S(x) = S�
1x
�nous permet de n’étu-
dier S que sur ]−1 ; 1[.Ý ⋆ Les fonctions fn sont toutes de classe C1 sur ]−1 ; 1[,⋆ Pour tout n ∈ N et x ∈ ]−1 ; 1[,
f ′n(x) =−nxn (xn− 1) (xn+ 1)
x�
x2n+ 1�2
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Une correction de l’exercice 10.15 énoncé1. Pour tout x ∈ ]−1 ; 1[, |x cos(x)| ⩽ |x | < 1, donc 1− x cos(x) ̸=
0. Ainsi la fonction x 7→ x sin x
1− x cos xest C∞ sur ]−1 ; 1[ comme
rapport de deux fonctions de classe C∞ dont le dénominateur nes’annule pas. Puis en composant par arctan qui est C∞ sur R, onobtient une fonction
f : x 7→ arctan�
x sin x
1− x cos x
�de classe C∞ sur ]−1 ; 1[.Je vous laisse retrouver grâce à la formule de dérivation de la com-posée de fonctions que pour tout x ∈ ]−1 ; 1[,
f ′(x) =−x2+ x cos (x) + sin (x)
x2− 2x cos (x) + 1·
2. Pour tout n ∈ N∗ et tout x ∈ ]−1 ; 1[, on note
fn(x) =(x)n sin(nx)
n·
On va appliquer le théorème de dérivation terme à terme.
Ý Pour tout n ∈ N∗, fn est de classe C1 sur ]−1 ; 1[, de dérivéedéfinie par
f ′n(x) = xn cos (nx) + xn−1 sin (nx) ;
Ý on sait déjà que∑
fn converge simplement sur ]−1 ; 1[ ;
Ý tout segment de ]−1 ; 1[ est inclus dans un segment de la forme[−α ; α], où α ∈ [0 ; 1[, et je vous laisse prouver que pour toutn ∈ N∗, f ′n
[−α ;α]
∞ ⩽ |α|n−1+ |α|n
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
ce qui nous donne par domination la convergence de∑ f ′n [−α ;α]
∞ , donc la convergence normale, et a fortiori uni-forme, de
∑f ′n sur tout segment de ]−1 ; 1[.
On peut donc conclure que la fonction g =+∞∑n=1
fn est C1 sur ]−1 ; 1[,
de dérivée définie pour tout x ∈ ]−1 ; 1[ par
g ′(x) =+∞∑n=1
f ′n(x)
=+∞∑n=1
xn cos (nx) + xn−1 sin (nx)
=+∞∑n=1
xn Re�
einx�+ xn−1 Im
�einx�
=+∞∑n=1
Re�
xneinx�+ Im
�xn−1einx
�(car x ∈ R)
=+∞∑n=1
Re�
xneinx�++∞∑n=1
Im�
xn−1einx�
(ces deux séries convergent par dominationpar |x |n et |x |n−1)
= Re
+∞∑n=1
xneinx
!+ Im
+∞∑n=1
xn−1einx
!(par propriété des séries complexes).
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Or
+∞∑n=1
xneinx = xei x+∞∑n=0
�xei x
�n
= xei x 1
1− xei x (car��xei x
��< 1)
=xei x �1− xe−i x�
(1− xei x)(1− xe−i x)
et
+∞∑n=1
xn−1einx = ei x+∞∑n=0
�xei x
�n
= ei x 1
1− xei x
(car��xei x
��< 1)
=ei x �1− xe−i x�
(1− xei x)(1− xe−i x)
=ei x − x
1− 2x cos(x) + x2 ·
Ainsi, on obtient finalement :
g ′(x) = Re
�xei x − x2
1− 2x cos(x) + x2
�+ Im
�ei x − x
1− 2x cos(x) + x2
�=
x cos(x)− x2
1− 2x cos(x) + x2 +sin(x)
1− 2x cos(x) + x2
=x cos(x)− x2+ sin(x)
1− 2x cos(x) + x2 ·
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Et là, fous de surprise, nous constatons que la fonction f et la fonc-tion g ont la même dérivée sur ]−1 ; 1[, donc qu’il existe un réel Ctel que sur cet intervalle g = f + C. Mais le plus gueudin, c’est que
f (0) = arctan(0) = 0 tandis que g(0) =+∞∑n=1
0 = 0, donc C = 0, et
finalement f = g !Autrement dit, pour tout x ∈ ]−1 ; 1[,
+∞∑N=1
xn sin(nx)n
= arctan�
x sin x
1− x cos x
�.
Une correction de l’exercice 10.16 énoncéNotons pour tout x > 0 et tout entier n ∈ N, un(x) =
(−1)n
n!(x+n).
1. Pour tout x > 0 et tout entier n ⩾ 1, x + n ⩾ 1 donc��un(x)
�� =1
n!(x+n)⩽ 1
n!, or la série
∑1n!
converge, donc par comparaison des
séries à termes positifs,∑��un(x)
�� converge, donc a fortiori∑
un(x)converge.On peut conclure que la fonction f est définie sur ]1 ; +∞[.En particulier
f (1) =+∞∑n=0
(−1)n
n!(n+ 1)=+∞∑n=0
(−1)n
(n+ 1)!=+∞∑n=1
(−1)n−1
n!
=+∞∑n=0
(−1)n−1
n!+ 1=−
+∞∑n=0
(−1)n
n!+ 1=−e−1+ 1= 1− 1
e·
2. Pour tout n ∈ N, la fonction un est C∞ sur ]0 ; +∞[, et (par récur-rence sur k)
∀k ∈ N, ∀x > 0, u(k)n (x) =(−1)n
n!× (−1)kk!
(x + n)k+1·
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Fixons k ∈ N∗, et pour tout réel a > 0, notons I= [a ; +∞[. Alors u(k)n
I
∞ =k!
n!(a+ n)k+1= o
n→+∞
�1
n!
�(k est fixé !)
et sachant que∑
1n!, on conclut avec le critère de négligeabilité que∑
un converge normalement sur I= [a ; +∞[.On applique alors la généralisation du théorème de dérivationterme à terme, qui nous permet de d’affirmer que pour tout k ∈ N,f est Ck sur [a ; +∞[, pour tout a > 0, donc Ck sur ]0 ; +∞[.Ceci étant prouvé pour tout k ∈ N, la fonction f est donc C∞ sur]0 ; +∞[.
3. Soit x ∈ ]0 ; +∞[,
x f (x)− f (x + 1) = x ×+∞∑n=0
(−1)n
n!(x + n)−+∞∑n=0
(−1)n
n!(x + 1+ n)
=+∞∑n=0
(−1)n x
n!(x + n)−+∞∑n=1
(−1)n−1
(n− 1)!(x + n)
(en posant n′ = n+ 1)
= 1++∞∑n=1
(−1)n x
n!(x + n)++∞∑n=1
n× (−1)n
n!(x + n)
= 1++∞∑n=1
(−1)n(x + n)n!(x + n)
= 1++∞∑n=1
(−1)n
n!= e−1 =
1
e·
4. On sait que f est C∞ sur ]0 ; +∞[, donc f est a fortiori continueen 1, et lim
x→0f (x + 1) = f (1) = 1− 1
e.
Ainsi, d’après la question précédente limx→0
x f (x) =
limx→0
�1e+ f (x + 1)
�= 1, donc f (x) ∼
x→0
1x.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
5. (a) Pour tout n ∈ N, notons P(n) la proposition :
∀x > 0,n∑
k=0
�n
k
�(−1)k
n!(x + k)=
n!
x(x + 1) · · · (x + n)·
Remarquons que x peut être remplacé dans cette égalité parn’importe quel réel strictement positif !
Au rang n = 0, pour tout x > 0, 0!x= 1
xet
0∑k=0
�nk
� (−1)k
n!(x+k)= 1
x,
donc P(0) est vraie ;Soit n ∈ N, supposons que P(n) est vraie.
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Alors pour tout x > 0
n+1∑k=0
�n+ 1
k
�(−1)k
(x + k)
=1
x+
n∑k=1
�n+ 1
k
�(−1)k
x + k+(−1)n+1
x + n+ 1
=1
x+
n∑k=1
��n
k
�+�
n
k− 1
��(−1)k
x + k+(−1)n+1
x + n+ 1
(avec le tri-angle dePascal)
=1
x+
n∑k=1
�n
k
�(−1)k
x + k+
n∑k=1
�n
k− 1
�(−1)k
x + k+(−1)n+1
x + n+ 1
=
1
x+
n∑k=1
�n
k
�(−1)k
x + k
+n−1∑k=0
�n
k
�(−1)k+1
x + k+ 1+(−1)n+1
x + n+ 1
(en posant k− 1= k′ dans la 2ème somme)
=n∑
k=0
�n
k
�(−1)k
x + k+
n∑k=0
�n
k
�(−1)k+1
x + 1+ k
=n∑
k=0
�n
k
�(−1)k
x + k−
n∑k=0
�n
k
�(−1)k
[x + 1] + k
=n!
x(x + 1) · · · (x + n)− n!
[x + 1]([x + 1] + 1) · · · ([x + 1] + n)(par hypothèse de récurrence !)
=n!
x(x + 1) · · · (x + n)− n!
(x + 1) · · · (x + n)(x + n+ 1)
=n!(x + n+ 1)− n!x
x(x + 1) · · · (x + n)(x + n+ 1)=
n!(n+ 1)x(x + 1) · · · (x + n)(x + n+ 1)
=(n+ 1)!
x(x + 1) · · · (x + n)(x + n+ 1)c.q.f.d
(b) Soit x > 0, on va appliquer le théorème sur le produit de deux
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
séries absolument convergentes, théorème qui utilise le produitde Cauchy (c’est la proposition 2.17)
e× f (x) =+∞∑n=0
1
n!×+∞∑n=0
(−1)n
n!(x + n)
=+∞∑n=0
n∑
k=0
n!
(n− k)!k!× (−1)k
n!(x + k)
!(grâce au théorèmesus-dit)
=+∞∑n=0
n∑
k=0
�n
k
�(−1)k
n!(x + k)
!=+∞∑n=0
1
x(x + 1) · · · (x + n)
d’où l’égalité voulue.
Une correction de l’exercice 10.17 énoncé1. Montrons par récurrence sur n que pour tout n ∈ N, an ⩾ 0 et
bn ⩾ 0.
Ý Au rang n= 0, a0 = a ⩾ 0 et b0 = 1⩾ 0.
Ý Supposons qu’au rang n ∈ N, an ⩾ 0 et bn ⩾ 0. Alors an+1 =an+bn
2⩾ 0, et an bn ⩾ 0 donc bn+1 =
pan bn existe bien, et est
aussi positif.c.q.f.d.
Pour tout n ∈ N,an+1− bn+1 =
1
2(an+ bn− 2
pan bn) =
1
2(p
an−p
bn)2.
2. En particulier, on a
∀n⩾ 0, an+1− bn+1 ⩾ 0
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et on en déduit que
∀n⩾ 0, an+2 =1
2(an+1+ bn+1)⩽
1
2(an+1+ an+1)⩽ an+1,
ainsi que
∀n⩾ 0, bn+2 =p
an+1× bn+1 ⩾p
b2n+1 = |bn+1|= bn+1.
En décalant les indices on a donc
∀n⩾ 1, 0⩽ bn ⩽ bn+1 ⩽ an+1 ⩽ an.
3. Pour tout n ∈ N∗,an− bn = (
pan−
pbn)(p
an+p
bn).
Onmultiplie l’inégalitépan+p
bn ⩾p
an−p
bn parpan−p
bn ⩾ 0,car n⩾ 1, pour conclure.En combinant 1.b et l’inégalité précédente, on a donc
∀n⩾ 1, 0⩽ an+1− bn+1 ⩽1
2(an− bn)
que l’on généralise par récurrence en
∀n⩾ 1, 0⩽ an− bn ⩽1
2n−1 (a1− b1).
Enfin, a1− b1 =12(p
a− 1)2 et |pa− 1|⩽pa+ 1. On multiplie par|pa−1| pour en déduire que |pa−1|2 ⩽ |(pa+1)(
pa−1)|= |1−a|
et en conclure a1− b1 =12|1− a|.
Avec ce qui précède, on obtient bien
∀n⩾ 1, 0⩽ an− bn ⩽1
2n |1− a|.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
4. On sait que limn→+∞
12n |1− a|= 0, donc par l’encadrement de la ques-
tion précédente, an− bn tend aussi vers 0.Les suites (an)n⩾1 et (bn)n⩾1 étant respectivement décroissante etcroissante, on en déduit que ces suites sont adjacentes, et par consé-quent convergent vers la même limite.
Pour ceux qui ont la fâcheuse idée de ne pas se souvenirde la notion de suites adjacentes, on peut aussi remarquerque la suite
�an�
n∈N est décroissante et minorée par 0, doncconverge. On note alors ℓ= lim
n→+∞ an, puis on en déduit quebn −−−−→n−→+∞ ℓ car
∀n ∈ N, bn = an+ (bn− an)lim
n→+∞ an = ℓ
limn→+∞(bn− an) = 0.
5. Rappelons que pour établir la convergence simple sur unintervalle I d’une suite de fonctions
�fn�
n∈N, il suffitde prendre un x quelconque dans I, et pour ce réel x fixé,montrer que la suite de nombres
�fn(x)
�n∈N converge.
Cette limite dépend alors du réel x, et la fonction f : x 7→lim
n→+∞ fn(x) est la fonction, définie sur I, vers laquelle tend
la suite�
fn�
n∈N.
Soit x un réel quelconque de [0 ; +∞[, fixé !En posant a = x, les suites (an(x))n⩾1 et (bn(x))n⩾1 vérifient lespropriétés de la question 1, elles convergent donc vers une limitecommune, que l’on peut noter f (x). Par conséquent, les suites defonctions (an) et (bn) convergent simplement sur [0 ; +∞[ vers lamême fonction f : x 7→ f (x).
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6. On vérifie que b1(0) = 0, puis par récurrence que bn(0) = 0 quandn⩾ 1. Donc en passant à la limite, on obtient f (0) = 0.De même, pour tout n ∈ N, an(1) = 1, d’où f (1) = 1.
7. Pour tout x ∈ [0 ; +∞[, les suites (an(x))n⩾1 et (bn(x))n⩾1 étantadjacentes à partir du rang 1, on a pour tout n ∈ N∗,
px = b1(x)⩽ bn(x)⩽ f (x)⩽ an(x)⩽ a1(x) =
1+ x
2·
8. Soit A> 0.D’après la question A.3, on a
∀x ⩾ 0, ∀n⩾ 1, 0⩽ an(x)− bn(x)⩽1
2n |1− x |.Mais, à nouveau, pour tout x ∈ [0 ; +∞[, les suites étant adjacentesà partir du rang 1, pour tout n ∈ N∗,
0⩽ an(x)− f (x)⩽ an(x)− bn(x)⩽1
2n |1− x |et
0⩽ f (x)− bn(x)⩽ an(x)− bn(x)⩽1
2n |1− x |.Ainsi, pour tout x ∈ [0 ; A], on a pour tout n ∈ N∗,
0⩽ an(x)− f (x)⩽ an(x)− bn(x)⩽1
2n (1+A)
et
0⩽ f (x)− bn(x)⩽ an(x)− bn(x)⩽1
2n (1+A),
donc an− f
[0,A]
∞ et f − bn
[0,A]
∞ sont majorés par 12n (1+ A) qui
tend vers 0.Ainsi par encadrement,
limn→+∞∥an− f ∥[0,A]
∞ = limn→+∞∥bn− f ∥[0,A]∞ = 0
ce qui prouve que les suites de fonctions (an)n∈N et (bn)n∈Nconvergent uniformément sur [0,A] (vers f ).
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
9. On établit par récurrence sur n ∈ N la continuité des fonctions an
et bn sur [0 ; +∞[, donc pour tout A > 0, leur limite uniforme fsur [0 ; A] est encore continue sur [0 ; A], donc f est continue sur[0,+∞[.
Une correction de l’exercice 10.18 énoncéPartie 1 : exemples
1. Soit n ∈ N, posons fn : x 7→ 12n cos(nx) + 1
3n sin(nx), alors
∀x ∈ R,�� fn(x)
��= ���� 1
2n cos(nx) +1
3n sin(nx)
����⩽ 1
2n +1
3n
donc fn
R∞ ⩽�1
2
�n
+�
1
3
�n
·Ce majorant est la somme des termes généraux de deux suites géo-métriques sommables, donc c’est le terme général d’une suite som-mable, et par domination, on peut conclure que la série
∑ fn
R∞converge.Ainsi la série des fonctions fn est normalement convergente sur R.
2. Soit x ∈ R, on remarque que pour tout entier p ⩾ 2, ei x/p est demodule 1
p< 1, donc
+∞∑n=0
�ei x
p
�n
=1
1− ei x
p
=p
p− ei x ·
Et cette série converge, donc les séries des parties réelle et imagi-naire convergent aussi, avec :
+∞∑n=0
cos(nx)pn =
+∞∑n=0
Re
��ei x
p�n
�= Re
+∞∑n=0
�ei x
p�n
!= Re
�p
p− ei x
�,
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(et on a la même chose pour la partie imaginaire).Or
p
p− ei x =p�
p− e−i x��p− ei x
��p− e−i x
� = p2− p cos(x) + ip sin(x)p2− 2p cos(x) + 1
=p2− p cos(x)
p2− 2p cos(x) + 1+ i
p sin(x)p2− 2p cos(x) + 1
,
donc+∞∑n=0
cos(nx)pn =
p2− p cos(x)p2− 2p cos(x) + 1
,
et+∞∑n=0
sin(nx)pn =
p sin(x)p2− 2p cos(x) + 1
·Il reste à combiner les résultats pour p = 2 et p = 3 :+∞∑n=0
�1
2n cos(nx) +1
3n sin(nx)�=
4− 2cos(x)5− 4cos(x)
+3sin(x)
10− 6cos(x)·
3. En utilisant la série exponentielle :
∀x ∈ R, exp(ei x) =∞∑
n=0
einx
n!
Or, exp(ei x) = exp(cos(x))exp(i sin(x)) et la partie réelle de cettequantité est
∀x ∈ R, exp(cos(x)) cos(sin(x)) =∞∑
n=0
1
n!cos(nx)·
4. Posons pour tout n ∈ N, an =1
n+1et un : x 7→ an cos(nx). La suite
(an) est de limite nulle mais un(2π) =1
n+1est le terme général
d’une série divergente (un seul contre-exemple suffit à contre-carrer toute une généralité !), donc
∑un n’est pas simplement
convergente sur R.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
5. La norme infinie sur R de x 7→ sin(nx)pn
est égale à 1pnqui est le terme
général d’une série divergente. La série de fonctions proposée n’estdonc pas normalement convergente sur R.
Partie 2 : propriétés
6. Pour tout réel n ∈ N, posons fn : x 7→ an cos(nx) + bn sin(nx), alors
∀x ∈ R,��an cos(nx) + bn sin(nx)
��⩽ ��an cos(nx)��+ ��bn sin(nx)
��⩽ |an|+ |bn|,
donc fn
R∞ ⩽ |an|+ |bn|.Or les suites
�an�
n∈N et�
bn�
n∈N sont supposées sommables, donc|an|+|bn| est aussi le terme général d’une suite sommable, et par do-mination
fn
R∞ est encore le terme général d’une suite sommable.On peut ainsi conclure que la série des fonctions fn est normale-ment convergente sur R.
7. On écarte d’ores et déjà le cas où a = b = 0 pour lequel le résultatest évident.Soit donc (a, b) ∈ R2 \ {(0,0)}.Ý Grâce à l’inégalité de Cauchy-Schwarz, appliquée au produit
scalaire canonique sur R2, on a pour tout réel x
|a cos(x) + b sin(x)|=����(a, b)
��(cos(x), sin(x))����
⩽ ∥(a, b)∥× ∥(cos(x), sin(x))∥=p
a2+ b2×p
cos2(x) + sin2(x)
=p
a2+ b2.
Donc le maximum cherché, s’il existe, est bien inférieur ou égalàp
a2+ b2.
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Maths - PC - Lycée René Cassin - Bayonne - 2018-2019
Ý Mais apa2+b2
∈ [−1 ; 1], on peut donc poser x =
arccos�
apa2+b2
�.
Alors x ∈ [−π ; π] et cos(x) = apa2+b2
.
Donc sin(x)⩾ 0, et par conséquent
sin(x) =p
sin2(x) =p
1− cos2(x) =bp
a2+ b2,
et dans ce cas
a cos(x) + b sin(x) =p
a2+ b2.
On peut donc conclure quep
a2+ b2 est effectivement le maxi-mum de x 7→ a cos(x) + b sin(x) sur R.En particulier, en notant f : x 7→ a cos(x) + b sin(x) on a établique f
R∞ =pa2+ b2.
Ý Posons pour tout (n, x) ∈ N×R un(x) = an cos(nx)+bn sin(nx) =f (nx) (c’est la fonction f de la question précdente), et suppo-sons que
∑(∥un∥∞) converge.
Grâce à la question précédente, on sait que un
R∞ = supx∈R�� f (nx)
��= f R∞ (dès que n⩾ 1).
=p
a2n + b2
n.
Ainsi la suite�p
a2n + b2
n
�n∈N est sommable.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Or pour tout n ∈ N∗, ��an
��⩽pa2n + b2
n, et��bn
��⩽pa2n + b2
n, doncpar domination, les séries
∑(an) et
∑(bn) convergent absolu-
ment.Et a fortiori, les suites
�an�
n∈N et�
bn�
n∈N étant sommables, ellestendent vers 0.
8. Ý La convergence normale sur R entraîne la convergence uni-forme sur R et cette dernière conserve la continuité. Les fonc-tions de la série trigonométrique étant continues sur R, on peutconclure que la fonction somme f est aussi continue sur R.
Ý Les fonctions un sont toutes 2π-périodiques, donc pour tout x ∈R,
f (x + 2π) =+∞∑n=0
un(x + 2π) =+∞∑n=0
un(x) = f (x),
f est donc 2π-périodique.
9. Tout d’abord, pour tout (α,β) ∈ R2, grâce aux formules d’Euler :
cos(α) cos(β) =
�eiα+ e−iα
2
��eiβ+ e−iβ
2
�=
1
4
�ei(α+β)+ ei(α−β)+ e−i(α−β)+ e−i(α+β)
�=
1
4
�2cos(α+ β) + 2cos(α− β)�
=1
2
�cos(α+ β) + cos(α− β)� ,
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et
cos(α) sin(β) =
�eiα+ e−iα
2
��eiβ− e−iβ
2i
�=
1
4i
�ei(α+β)− ei(α−β)+ e−i(α−β)− e−i(α+β)
�=
1
4i�2i sin(α+ β)− 2i sin(α− β)�
=1
2
�sin(α+ β)− sin(α− β)� ,
et encore
sin(α) sin(β) =
�eiα− e−iα
2i
��eiβ− e−iβ
2i
�=−1
4
�ei(α+β)− ei(α−β)− e−i(α−β)+ e−i(α+β)
�=−1
4
�cos(α+ β)− 2cos(α− β)�
=−1
2
�cos(α+ β)− cos(α− β)� .
donc pour tout (k, n) ∈ N2,∫ π−π
cos(kx) cos(nx)d x =
∫ π−π
1
2(cos(k+ n)x + cos(k− n)x)d x
=
2π si k = n= 0,
12
h1
k+nsin(k+ n)x
iπ−π+π= π si k = n> 0,
12
h1
k+nsin(k+ n)x + 1
k−nsin(k− n)x
iπ−π = 0 si k ̸= n.
De même∫ π−π
sin(kx) cos(nx)d x =
∫ π−π
1
2(sin(n+ k)x − sin(n− k)x)d x
= 0(ce qui est normal car la fonc-tion est impaire)
68/76
Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
et∫ π−π
sin(kx) sin(nx)d x =
∫ π−π−1
2(cos(k+ n)x − cos(k− n)x)d x
=
0 si k = n= 0,
−12
h1
k+nsin(k+ n)x
iπ−π+π= π si k = n> 0,
12
h1
k+nsin(k+ n)x + 1
k−nsin(k− n)x
iπ−π = 0 si k ̸= n.
D’autre part, pour tous entiers k et n, la fonction x 7→ est continueet impaire, donc (en posant t = −x ) son intégrale est nulle surl’intervalle [−π ; π] qui est centré en 0.
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On pourrait aussi effectuer deux intégration par partiessuccessives, pour n ̸= 0 :∫ π−π
sin(kx) cos(nx)d x
=�
sin(kx)1
nsin(nx)
�π−π−∫ π−π
k cos(kx)1
nsin(nx)d x
(je rappelle que sin(pπ) = 0 pour tout en-tier p ∈ Z, donc �sin(kx) 1
nsin(nx)
�π−π =
0)
= 0− k
n
��− cos(kx)
1
ncos(nx)
�π−π−∫ π−π
k sin(kx)1
ncos(nx)d x
�=−k2
n2
∫ π−π
sin(kx) cos(nx)d x ,
donc�
1+ k2
n2
�∫ π−π sin(kx) cos(nx)d x = 0, et par consé-
quent ∫ π−π
sin(kx) cos(nx)d x = 0.
10. Pour tout n ∈ N,∫ π−π
f (x) cos(nx)d x =
∫ π−π
∞∑k=0
(ak cos(kx) cos(nx)+bk sin(kx) cos(nx))d x
Posons encore pour tout (k, x) ∈ N × R, uk(x) = ak cos(kx) +bk sin(kx) et vk(x) = uk(x) cos(nx).On sait d’après la question 8 que
∑un est normalement conver-
gente sur R.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
De plus pour tout réel x,��vk(x)
�� = |uk(x) cos(nx)| ⩽ |uk(x)| ⩽∥uk∥∞.Donc
vk
R∞ ⩽ uk
R∞, et � uk
R∞� est sommable, ainsi par domi-
nation∑
vn est normalement convergente sur R.En particulier
∑vn est uniformément convergente sur le segment
[−π,π] et on peut intégrer terme à terme :∫ π−π
f (x) cos(nx)d x
=∞∑
k=0
�ak
∫ π−π
cos(kx) cos(nx)d x + bk
∫ π−π
sin(kx) cos(nx))d x
�.
Dans la somme, on sait par la question 10 que tous les termes sontnuls sauf celui d’indice k = n qui vaut anπ si n ̸= 0 et 2πa0 si n= 0.Ainsi,
∀n ∈ N∗, an = αn( f ) et a0 =1
2α0( f ).
11. Il s’agit d’utiliser la question précédente avec a0 = α0( f )/2, b0 = 0et pour n ⩾ 1, an = αn( f ) et bn = βn( f ). La somme est ici égale àg et on obtient donc
∀n ∈ N, αn( f ) = αn(g) et βn( f ) = βn(g).
12. Les applications h 7→ αn(h) et h 7→ βn(h) étant linéaire, on a iciαn(g − f ) = βn(g − f ) = 0 et, avec le résultat admis g − f = 0.
13. Pour tout n ∈ N, si f est paire, x 7→ f (x) sin(nx) est impaire etsa fonction est donc d’intégrale nulle sur un intervalle centré sur 0(ce que l’on voit par le changement de variable affine t = −x ). Enparticulier,
∀n, βn( f ) = 0.
De même x 7→ f (x) cos(nx) est paire et
∀n ∈ N, αn( f ) =2
π
∫ π0
f (x) cos(nx)d x .
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14. (a) Ici je vais tricher et utiliser un petit programme Python. Pourcalculer f (x), on cherche un entier k tel que x − 2kπ = y ∈[−π,π] et on renvoie y2.
1 from numpy import floor2 def f(x):3 k=floor((x+pi)/(2*pi))4 return (x-2*k*pi)**2
La fonction f étant paire, donc d’après la question précédente,les coeffcients βn( f ) sont tous nuls, et
αn( f ) =2
π
∫ π0
x2 cos(nx)d x .
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
Pour tout n ∈ N∗, une double intégration par parties donne∫ π0
x2 cos(nx)d x =−2
n
∫ π0
x sin(nx)d x
=−2
n
��− x cos(nx)
n
�π0+
1
n
∫ π0
cos(nx)d x
�et ainsi
∀n ̸= 0, αn( f ) =4(−1)n
n2 ·Enfin,
α0( f ) =2
π
∫ π0
x2d x =2
3π2.
Comme∑(αn( f )) et
∑(βn( f )) convergent absolument, on sait
grâce à la question 6 que la série trigonométrique est normale-ment convergente sur R, et conclure que
∀x ∈ R, f (x) =π2
3+ 4
∞∑n=1
(−1)n
n2 cos(nx).
(b) Pour x = 0, on obtient∞∑
n=1
(−1)n
n2 =−π2
12
Pour x = π, on obtient∞∑
n=1
1
n2 =π2
6
Cette série étant absolument convergente, on peut séparer sasomme en isolant les termes d’indice pair et ceux d’indice im-pair : ∞∑
n=1
1
n2 =∞∑
n=1
1
(2n)2+∞∑
n=0
1
(2n+ 1)2.
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On en déduit que
∞∑n=0
1
(2n+ 1)2=π2
6− 1
4
∞∑n=0
1
n2 =π2
8·
15. Ý La fonction x 7→ ln(1+x)x
est continue sur ]0,1].
Ý En 0, la fonction est équivalente à xx= 1 et x 7→ 1 est intégrable
sur ]0 ; 1],
Ý donc x 7→ ln(1+x)x
est intégrable sur ]0 ; 1].
Cette question utilise deux résultats qui n’ont pas encoreété traités, ça avait échappé à mon survol de l’énoncé, jesuis désolé.
Ý Tout d’abord, on connaîtra plus tard le développement en sérieentière de x 7→ ln(1+ x) sur ]−1 ; 1[ :
ln(1+ x) =+∞∑n=0
(−1)n xn+1
n+ 1=+∞∑n=1
(−1)n−1 xn
n,
donc pour tout x ∈ ]0 ; 1[
ln(1+ x)x
=1
x×+∞∑n=1
(−1)n−1 xn
n=+∞∑n=1
(−1)n−1 xn−1
n.
Ý Ensuite pour intervertir somme et intégrale, on va appliquer lethéorème d'intégration terme à terme que l’on découvriraavec ravissement plus tard aussi :
- gn : x 7→ (−1)n−1 xn−1
nest le terme général d’une série de
fonctions continues qui converge simplement sur ]0,1[ versx 7→ ln(1+x)
x.
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Exercices du chapitre 10. Suites et séries de fonctions
- Cette fonction somme est continue sur ]0,1[.
- gn est intégrable sur ]0,1[ et∫ 1
0|gn(x)|d x = 1
n2 est le termegénéral d’une série convergente.
Ces conditions étant remplies, ce fameux théorème nous per-met donc d’intervertir somme et intégrale de la manière sui-vante : ∫ 1
0
ln(1+ x)x
d x =
∫ 1
0
+∞∑n=1
(−1)n−1 xn−1
nd x
=∞∑
n=1
∫ 1
0
(−1)n−1 xn−1
nd x
=∞∑
n=1
(−1)n−1
n2 =π2
12·
16. Dans l’exemple de la question 15, on a obtenu une série norma-lement convergente sur R. Cependant la somme f n’est dérivableen aucun multiple de π, car lim
x<−→π f ′(x) = 2π ̸= lim
x>−→π f ′(x) = −2π,
donc f n’est pas dérivable sur R.Supposons que
∑(nan) et
∑(nbn) sont des séries absolument
convergente. Montrons qu’alors en posant un(x) = an cos(nx) +bn sin(nx),
∑(un) converge normalement sur R vers une fonction
de classe C1 sur R. On utilise pour cela le théorème de régularitédes sommes de séries fonctions.- ∀n, un ∈ C1(R) et u′n(x) =−nan sin(nx) + nbn cos(nx).
-∑(un) converge simplement sur R.
- ∥u′n∥R∞ ⩽ |nan|+ |nbn| est le terme général d’une série conver-gente et
∑(u′n) est donc normalement convergente sur R.
Le théorème de dérivation terme à terme s’applique donc et indiquenon seulement que la somme est de classe C1 mais que sa dérivéeest la somme des dérivées.
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17. On a vu en question 2 que
∀x ∈ R,∞∑
n=0
sin(nx)3n =
3sin(x)10− 6cos(x)
.
Les conditions de la question précédente sont vérifiées, avec an = 0et bn = 1/3n. On en déduit en dérivant que
∀x ∈ R,∞∑
n=0
n cos(nx)3n =
3
2
5cos(x)− 3
(5− 3cos(x))2·
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