La fonction , de bout en bout
Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (MP/MPI), chapitre 6 — Suites et séries de fonctions, séries entières · B. Séries de fonctions
Énoncé
Pour , on pose .
1) Montrer que la série converge normalement sur tout avec , mais pas normalement sur .
2) En déduire que est continue, puis de classe sur , avec .
3) Par le théorème de la double limite, montrer que quand , et préciser .
4) Par comparaison série-intégrale, encadrer et en déduire quand .
5) Que dire de la monotonie et de la convexité de sur ?
Corrigé
La stratégie. C'est le programme fixe de toute étude d'une somme de série de fonctions, et il faut l'exécuter dans cet ordre : domaine et mode de convergence, régularité, limites aux deux bords, équivalents. Le point de méthode central est que l'uniformité se cherche localement, sur des intervalles adaptés : elle est fausse globalement, et elle est toujours inutile globalement, puisque continuité et dérivabilité sont des propriétés locales.
1) Les deux convergences normales. Posons , continue sur et strictement positive.
Normale sur , . Pour et , donne , donc , supremum atteint en . Or est une série de Riemann convergente : la convergence est normale sur , donc uniforme, donc simple. Tout appartenant à avec , la somme est bien définie sur .
Pas normale sur . Cette fois le supremum étant la limite en (non atteinte). Et diverge : il n'y a pas convergence normale sur l'intervalle ouvert tout entier. C'est le prix du bord , où la série diverge.
2) La régularité.
Continuité. Chaque est continue sur et la convergence y est normale donc uniforme : le théorème de continuité de la somme donne continue sur , pour tout . La continuité étant une propriété locale et tout point ayant un voisinage contenu dans , la fonction est continue sur .
Classe . On a . Fixons et choisissons avec . Pour , car et le logarithme est négligeable devant toute puissance positive. La série converge (), donc converge normalement sur . Comme converge simplement, le théorème de dérivation terme à terme s'applique : est de classe sur et .
Classe . Une récurrence immédiate donne , et la même majoration — est négligeable devant toute puissance positive de — montre que converge normalement sur tout . En appliquant le théorème de dérivation à chaque ordre :
3) Le bord .
La limite. La convergence est uniforme sur (question 1) et chaque terme a une limite quand : pour tout , donc de limite ; et pour . Le théorème de la double limite s'applique et autorise l'échange : (Sans l'uniformité, intervertir une limite et une somme infinie serait un acte de foi ; avec elle, c'est un théorème.)
L'équivalent. Écrivons, pour , Posons pour . Comme , la fonction est décroissante, donc , terme général d'une série convergente : converge normalement sur . Chaque tend vers quand ; le théorème de la double limite donne donc . Par conséquent
4) Le bord . La fonction est positive, continue et décroissante sur pour . La comparaison série-intégrale (chapitre 5) donne, d'une part d'où, en sommant pour , d'autre part pour , d'où en sommant et en ajoutant le terme , qui vaut , Ainsi Quand , : les deux bornes sont équivalentes à , donc
5) Monotonie et convexité. Par la question 2 avec et : Les deux signes sont stricts : dans la première somme le terme vaut , et tous les termes sont positifs ou nuls ; dans la seconde, idem. Donc est strictement décroissante et strictement convexe sur — ce qui est cohérent avec les deux bords trouvés : elle descend de en vers en .
Le point délicat. Chercher la convergence normale sur tout entier serait une perte de temps : elle est fausse et elle serait inutile, continuité et dérivabilité étant locales. Le bon réflexe est de se donner un arbitraire et de travailler sur .
Ce que l'exercice installe. Le programme d'étude d'une somme de série, invariable : convergence normale locale, régularité par les théorèmes de continuité et de dérivation, limites aux bords par la double limite d'un côté et la comparaison série-intégrale de l'autre — le bord où la série converge bien relevant de la première, celui où elle diverge d'un encadrement.
Les autres exercices de ce chapitre Le cours du chapitre
Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.