Séries de fonctions

Exercice 29 ⭐️ Fonction Zeta alternée, Spé/L2

Établir une relation entre ζ(x)=n=11nx\displaystyle \zeta(x)=\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^x}, x>1\displaystyle x>1, et η(x)=n=1(1)nnx\displaystyle \eta(x)=\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n^x}, x>0\displaystyle x>0.

1+(1)n=0\displaystyle 1+(-1)^n=0 si n\displaystyle n est impair.

On a, pour x>1\displaystyle x>1, ζ(x)+η(x)=n=11+(1)nnx=k=12(2k)x=12x1ζ(x)\displaystyle \zeta(x)+\eta(x)=\sum_{n=1}^\infty \frac{1+(-1)^n}{n^x}=\sum_{k=1}^\infty \frac{2}{(2k)^x}=\frac{1}{2^{x-1}}\zeta(x), donc ζ(x)=(12x11)1η(x)\displaystyle \zeta(x)=\left(\frac{1}{2^{x-1}}-1\right)^{-1}\eta(x), qui est un prolongement de ζ\displaystyle \zeta sur ]0,+[\displaystyle ]0,+\infty[ privé de 1\displaystyle 1. C’est en fait LE prolongement analytique de ζ\displaystyle \zeta pour tout x=σ+it\displaystyle x=\sigma+it, σ>0\displaystyle \sigma>0 et x1\displaystyle x\neq1 (unicité du prolongement analytique).

Exercice 30 ⭐️⭐️⭐️ Série des dilatés, Spé/L2

Soit f:R+R+\displaystyle f: \mathbb R^+ \to \mathbb R^+ une fonction intégrable, décroissante et tendant vers 0\displaystyle 0 en l’infini.
Montrer que n1f(nt)\displaystyle \sum_{n\ge 1} f(nt), t>0\displaystyle t>0, converge et que n1f(nt)t01t0f(x)dx\displaystyle \sum_{n\ge 1} f(nt) \sim_{t\to 0} \frac{1}{t}\int_0^\infty f(x)dx.
Application — Donner un équivalent de n0en2t\displaystyle \sum_{n\ge0}e^{-n^2t} et n111+n2t2\displaystyle \sum_{n\ge1}\frac{1}{1+n^2t^2} quand t0\displaystyle t\to0, et de n1xn2\displaystyle \sum_{n\ge 1} x^{n^2} quand x1\displaystyle x\to 1^-.

Une somme et une intégrale avec une fonction monotone 👉 Comparaison série-intégrale.

On fixe t>0\displaystyle t>0. Comme f\displaystyle f est décroissante, nt(n+1)tf(x)dxnt(n+1)tf(nt)dx=tf(nt)(n1)tntf(x)dx\displaystyle \int_{nt}^{(n+1)t}f(x)dx\le \int_{nt}^{(n+1)t}f(nt)dx=tf(nt)\le\int_{(n-1)t}^{nt} f(x)dx, et en sommant t(N+1)tf(x)dxtn=1Nf(nt)0Ntf(x)dx\displaystyle \int_t^{(N+1)t}f(x)dx\le t\sum_{n=1}^Nf(nt)\le\int_{0}^{Nt} f(x)dx. Comme f\displaystyle f est 0\displaystyle \ge0 et intégrable, on en déduit la convergence de la série et par passage à la limite en N\displaystyle N : tf(x)dxtn=1f(nt)0f(x)dx\displaystyle \int_t^{\infty}f(x)dx\le t\sum_{n=1}^\infty f(nt)\le\int_{0}^\infty f(x)dx. En passant à la limite en t\displaystyle t, on conclut avec le théorème des gendarmes.

Application \displaystyle - Soit x=et2\displaystyle x=e^{-t^2}. On a n1xn2=n1e(nt)2t01t0eu2du\displaystyle \sum_{n\ge 1} x^{n^2}=\sum_{n\ge 1} e^{-(nt)^2}\sim_{t\to 0} \frac{1}{t}\int_0^\infty e^{-u^2}du. Comme t=ln(x)\displaystyle t=\sqrt{-\ln(x)}, 0eu2du=π2\displaystyle \int_0^\infty e^{-u^2}du=\frac{\sqrt{\pi}}{2} et ln(x)x1x1\displaystyle \ln(x)\sim_{x\to 1} x-1, on obtient n1xn2x1π21x\displaystyle \sum_{n\ge 1} x^{n^2}\sim_{x\to 1^-}\frac{\sqrt{\pi}}{2\sqrt{1-x}}.

Exercice 31 ⭐️⭐️ Spé/Classique

Soit θ0mod2π\displaystyle \theta \neq 0 \mod 2\pi. Grâce à la suite de fonction Sn(x):=k=0nei(k+1)θxk\displaystyle S_n(x):=\sum_{k=0}^{n}e^{i(k+1)\theta}x^k , établir : 01eiθ1eiθxdx=n>0einθn\displaystyle \int_0^1 \frac{e^{i\theta}}{1-e^{i\theta}x}dx=\sum_{n>0}\frac{e^{in\theta}}{n}.

  • 11y\displaystyle \frac{1}{1-y} 👉 Série géométrique ;
  • Une intégrale et une somme 👉 Interversion série intégrale.

On a Sn(x)=eiθ1ei(n+1)θxn+11eiθx\displaystyle S_n(x)=e^{i\theta} \frac{1-e^{i(n+1)\theta}x^{n+1}}{1-e^{i\theta}x}, donc Sn(x)21eiθx\displaystyle |S_n(x)|\le \frac{2}{|1-e^{i\theta}x|} . Or x21eiθx\displaystyle x\mapsto \frac{2}{|1-e^{i\theta}x|} est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1] car θ0 [2π]\displaystyle \theta\neq 0\ [2\pi], donc intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1]. On peut alors appliquer le théorème de convergence dominée à la suite de fonctions (Sn)\displaystyle (S_n) :
01eiθ1eiθxdx=01limSn(x)dx=lim01Sn(x)dx.\int_0^1 \frac{e^{i\theta}}{1-e^{i\theta}x}dx = \int_0^1\lim S_n(x)dx = \lim \int_0^1 S_n(x) dx.
Comme 01Sn(x)dx=k=0n01ei(k+1)θxkdx=k=1n+1eikθk\displaystyle \int_0^1 S_n(x) dx =\sum_{k=0}^n \int_0^1 e^{i(k+1)\theta}x^k dx = \sum_{k=1}^{n+1}\frac{e^{ik\theta}}{k}, on en déduit que eikθk\displaystyle \sum\frac{e^{ik\theta}}{k} converge et que : 01eiθ1eiθxdx=k1eikθk.\int_0^1 \frac{e^{i\theta}}{1-e^{i\theta}x}dx = \sum_{k\ge 1}\frac{e^{ik\theta}}{k}.

Exercice 32 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Théorème de Dirichlet, Théorème de Bohr, MP/Agreg

On note respectivement {u}\displaystyle \{u\} et [u]\displaystyle [u] la partie fractionnaire et la partie entière d’un réel u0\displaystyle u\ge0, i.e. u=[u]+{u}\displaystyle u=[u]+\{u\}.

  1. Soit q,nN\displaystyle q,n\in \N^* et x=(xi)Rn\displaystyle x=(x_i)\in \R^n. Démontrer : p{1,,qn},i{1,,n}, d(pxi,Z)<1q\displaystyle \exists p\in\{1,\cdots,q^n\}, \forall i\in \{1,\cdots, n\},\ d(px_i,\Z)<\frac{1}{q}.
    On considérera les qn+1\displaystyle q^n+1 vecteurs de Rn\displaystyle \R^n : uk=({kx1},,{kxn})\displaystyle u_k=(\{kx_1\},\cdots,\{kx_n\}) avec 0kqn\displaystyle 0\le k\le q^n.
  2. Soit an0\displaystyle a_n\ge0 et x0R\displaystyle x_0\in\R. Supposons que n=1+annx0\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x_0}} diverge et que n=1+annx\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x}} converge pour x>x0\displaystyle x>x_0.
    Soit T>0\displaystyle T>0. Pour Re(z)>x0\displaystyle \mathcal{R}e(z)>x_0, posons f(z)=n=1+annz\displaystyle f(z)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{z}}.
    Montrer que f\displaystyle f n’est pas bornée dans {zC,Im(z)T,Re(z)>x0}\displaystyle \{z\in\mathbb C, \mathcal{I}m(z)\geqslant T, \mathcal{R}e(z)>x_0\}.

(D’après Topologie & Analyse fonctionnelle, Gonnord & Tosel, p.15)

  1. On applique le principe des tiroirs à l’hypercube [0,1]n\displaystyle [0,1]^n découpé en qn\displaystyle q^n petits hypercubes dont les aretes sont du type [r/q,(r+1)/q[\displaystyle [r/q,(r+1)/q[. Alors il existe k\displaystyle k et q\displaystyle q tels que uk\displaystyle u_k et uq\displaystyle u_q sont dans le même petit cube, i.e. ukuq<1/q\displaystyle \|u_k-u_q\|_\infty<1/q et donc pour tout i\displaystyle i, {kxi}{qxi}=kxi[kxi](qxi[qxi])<1/q\displaystyle |\{kx_i\}-\{qx_i\}|=|kx_i-[kx_i]-(qx_i-[qx_i])|<1/q. Il suffit donc de prendre p=kq\displaystyle p=k-q pour obtenir le résultat.
  2. D’abord, observons que si xR\displaystyle x\in\R, f(x)=n=1+annx\displaystyle f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x}} diverge quand xx0\displaystyle x\to x_0. En effet, si f\displaystyle f était bornée par M\displaystyle M, on aurait pour x\displaystyle x proche de x0\displaystyle x_0, n=1Nannx02n=1Nannx2n=1annx2M\displaystyle \sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x_0}}\le 2\sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x}}\le 2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{a_n}{n^{x}}\le 2M, ce qui contredit que la série n=1+annx0\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x_0}} diverge (Rappelons que an0\displaystyle a_n\ge0).
    Soit A>0\displaystyle A>0. On peut donc trouver x>x0\displaystyle x>x_0 tel que n=1+annx>A\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x}}>A. On se donne N\displaystyle N tel que n=N+annx<A/4\displaystyle \sum_{n=N}^{+\infty}\frac{a_n}{n^{x}}<A/4.
    Par l’inégalité triangulaire, on a f(x+iy)n=1Nannx+iyn=N+1annx+iy\displaystyle |f(x+iy)|\ge \left|\sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x+iy}}\right|-\left|\sum_{n=N+1}^{\infty}\frac{a_n}{n^{x+iy}}\right| ()\displaystyle (\star).
    Remarquons que n=1Nannx+iyRen=1Nannx+iy=n=1Nannxcos(ylnn)\displaystyle \left|\sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x+iy}}\right|\ge Re \sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x+iy}}=\sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x}}\cos(y\ln n).
    Or d’après 1) il existe p\displaystyle p tel que pour tout 1nN\displaystyle 1\le n\le N, d(pTlnn,Z)16\displaystyle d(pT\ln n,\Z)\le \frac16, i.e. d(2πpTlnn,2πZ)π3\displaystyle d(2\pi pT\ln n,2\pi\Z)\le \frac{\pi}{3}.
    Donc en prenant y=2πpTT\displaystyle y=2\pi pT\ge T, on obtient cos(ylnn)1/2\displaystyle \cos(y\ln n)\ge 1/2 si 1nN\displaystyle 1\le n\le N.
    Ainsi n=1Nannxcos(ylnn)12n=1Nannx12(AA/4)=38A\displaystyle \sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x}}\cos(y\ln n)\ge \frac{1}{2}\sum_{n=1}^{N}\frac{a_n}{n^{x}}\ge \frac{1}{2}(A-A/4)=\frac{3}{8}A, où on a encore utilisé l’inégalité triangulaire.
    Donc, d’après ()\displaystyle (\star), f(x+iy)38AA4=A8\displaystyle |f(x+iy)|\ge \frac{3}{8}A-\frac{A}{4}=\frac{A}{8} pour y=2πpTT\displaystyle y=2\pi pT\ge T, ce qui prouve que f\displaystyle f n’est pas bornée sur {Im(z)T,Re(z)>x0}\displaystyle \{Im(z)\geqslant T, Re(z)>x_0\}.

Exercice 33 ⭐️⭐️ Spé/L3

Soit a,b>0\displaystyle a,b>0. Montrer que 0xeax1ebxdx=n01(a+bn)2\displaystyle \int_0^\infty \frac{xe^{-ax}}{1-e^{-bx}}dx=\sum_{n\ge0}\frac{1}{(a+bn)^2}. Equivalent quand a0\displaystyle a\to0 ?

  • 11y\displaystyle \frac{1}{1-y} 👉 Série géométrique !
  • Interversion série intégrale.

D’après le théorème d’intégration terme à terme, on a 0xeax1ebxdx=0xeaxn=0enbxdx=n=00xe(a+bn)xdx\displaystyle \int_0^\infty \frac{xe^{-ax}}{1-e^{-bx}}dx=\int_0^\infty xe^{-ax}\sum_{n=0}^\infty e^{-nbx}dx=\sum_{n=0}^\infty\int_0^\infty xe^{-(a+bn)x}dx, car 0xe(a+bn)xdx=1(a+bn)2\displaystyle \int_0^\infty xe^{-(a+bn)x}dx=\frac{1}{(a+bn)^2} (on a fait le changement de variable y=(a+bn)x\displaystyle y=(a+bn)x) est le terme général d’une série convergente. Ainsi 0xeax1ebxdx=n01(a+bn)2\displaystyle \int_0^\infty \frac{xe^{-ax}}{1-e^{-bx}}dx=\sum_{n\ge0}\frac{1}{(a+bn)^2}.

Exercice 34 ⭐️⭐️ Spé/L3

Soit a>0\displaystyle a>0. Montrer que 01dx1+xa=n0(1)n1+an\displaystyle \int_0^1 \frac{dx}{1+x^a}=\sum_{n\ge0}\frac{(-1)^n}{1+an}. Limite quand a0\displaystyle a\to0 ?

  • 11±y\displaystyle \frac{1}{1\pm y} 👉 Série géométrique !
  • Interversion série intégrale.

On fait le calcul formellement supposant qu’on peut intervertir somme et intégrale :
01dx1+xa=01n0(xa)ndx=n001(1)nxandx=n0(1)n[x1+an1+an]01,\int_0^1 \frac{dx}{1+x^a}=\int_0^1\sum_{n\ge0}(-x^a)^n dx=\sum_{n\ge0}\int_0^1(-1)^n x^{an} dx=\sum_{n\ge0}(-1)^n \left[\frac{x^{1+an}}{1+an}\right]^1_0, ce qu’on voulait. On peut justifier l’interversion somme et intégrale comme suit. La série alternée (1)nxan\displaystyle \sum (-1)^n x^{an} ne convergeant pas uniformément sur [0,1]\displaystyle [0,1] et le théorème d’intégration terme à terme ne pouvant s’appliquer car n011+an=\displaystyle \sum_{n\ge 0} \frac{1}{1+an}=\infty, on a plus le choix : convergence dominée avec les sommes partielles, et ça marche. En effet on 0nN(1)nxan=(xa)N+11xa+12,\left|\sum_{0\le n\le N} (-1)^n x^{an}\right|=\left|\frac{(-x^a)^{N+1}-1}{x^a+1} \right|\le2, et le constante est intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Donc on peut écrire :
n=0=limNn=0N=limNn=0N=limNn=0N=n=0.\int \sum_{n=0}^\infty=\int \lim_{N\to\infty}\sum_{n=0}^N=\lim_{N\to\infty}\int \sum_{n=0}^N=\lim_{N\to\infty}\sum_{n=0}^N\int =\sum_{n=0}^\infty\int. Pour la limite en a0\displaystyle a\to 0, on peut appliquer le théorème CVD à l’intégrale car pour tout x]0,1]\displaystyle x\in]0,1] et tout a>0\displaystyle a>0, on a 1/(1+xa)1\displaystyle |1/(1+x^a)|\le1, et 1\displaystyle 1 est intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Donc, comme xa1\displaystyle x^a\to 1 quand a0\displaystyle a\to 0 avec x>0\displaystyle x>0, on obtient :
n0(1)n1+ana012.\sum_{n\ge0}\frac{(-1)^n}{1+an} \xrightarrow[a\to0]{}\frac{1}{2}.

Exercice 35 ⭐️⭐️⭐️ ENS, Spé/L2

Montrer que (1+zn)n\displaystyle \left(1+\frac{z}{n} \right)^n converge uniformément vers ez\displaystyle e^z sur tout compact de C\displaystyle \C.

(a+b)n\displaystyle (a+b)^n 👉 Formule du binôme.

On a (1+zn)n=k=0n(nk)zknk=k=0nn(n1)(nk+1)nkzkk!\displaystyle \left(1+\frac{z}{n} \right)^n=\sum_{k=0}^n {n\choose k} \frac{z^k}{n^k}=\sum_{k=0}^n \frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}\frac{z^k}{k!}, en utilisant la formule du binôme et la définition de (nk)\displaystyle {n\choose k}. En écrivant la série de l’exponentielle, on obtient donc
ez(1+zn)n=k=0n(1n(n1)(nk+1)nk)zkk!+k=n+1zknk.e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n=\sum_{k=0}^n \left(1-\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}\right)\frac{z^k}{k!}+\sum_{k=n+1}^\infty \frac{z^k}{n^k}. On choisit désormais z\displaystyle z quelconque dans la boule B(0,M)\displaystyle B(0,M) de centre 0\displaystyle 0 et de rayon M>0\displaystyle M>0, i.e. zM\displaystyle |z|\le M. Ainsi, par l’inégalité triangulaire :
ez(1+zn)nk=0n(1n(n1)(nk+1)nk)Mkk!+k=n+1Mknk\displaystyle \left|e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n\right|\le\sum_{k=0}^n \left(1-\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}\right)\frac{M^k}{k!}+\sum_{k=n+1}^\infty \frac{M^k}{n^k}, car 1n(n1)(nk+1)nk0\displaystyle 1-\frac{n(n-1)\cdots(n-k+1)}{n^k}\ge0.
D’où ez(1+zn)neM(1+Mn)n\displaystyle \left|e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n\right|\le e^M-\left(1+\frac{M}{n} \right)^n. En utilisant que (1+Mn)nneM\displaystyle \left(1+\frac{M}{n} \right)^n\xrightarrow[n\to\infty]{}e^M, on conclut que supzB(0,M)ez(1+zn)nn0\displaystyle \sup_{z\in B(0,M)}\left|e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n\right|\xrightarrow[n\to\infty]{} 0, ce qu’on voulait.
Remarque — L’inégalité ez(1+zn)neM(1+Mn)n\displaystyle \left|e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n\right|\le e^M-\left(1+\frac{M}{n} \right)^n pour zM\displaystyle |z|\le M est quasiment miraculeuse car l’inégalité triangulaire appliquée brutalement donne ez(1+zn)neM+(1+Mn)n\displaystyle \left|e^z-\left(1+\frac{z}{n} \right)^n\right|\le e^M+\left(1+\frac{M}{n} \right)^n.

Exercice 36 ⭐️⭐️ Spé/L2

Soit (an)\displaystyle (a_n) une suite >0\displaystyle > 0 croissante et tendant vers +\displaystyle +\infty, et f(x)=n0(1)neanx\displaystyle f(x)=\sum_{n\ge0}(-1)^n e^{-a_nx}.

  1. Définition et continuité de f\displaystyle f ?
  2. Calculer 0f(x)dx\displaystyle \int_0^\infty f(x)dx.

Bientôt !

Exercice 284 ⭐️⭐️ Spé/L2

  1. Soit (an)n1\displaystyle (a_n)_{n \ge 1} une suite de réels positifs, décroissante et de limite nulle. Que dire de Rn=k=n+1(1)kak\displaystyle R_n = \sum_{k=n+1}^\infty (-1)^k a_k ?
  2. Pour n1\displaystyle n \ge 1, on pose fn(k)=xkk\displaystyle f_n(k) = \frac{x^k}{k}. Montrer que la série de fonctions S(x)=k=1(1)kfk(x)\displaystyle S(x) = \sum_{k=1}^\infty (-1)^k f_k(x) converge uniformément sur [0,1]\displaystyle [0,1].
  3. Montrer que la série T(x)=k=1(1)kfk(x)\displaystyle T(x) = \sum_{k=1}^\infty (-1)^k f_k'(x) converge uniformément sur tout intervalle [0,A]\displaystyle [0,A], avec 0<A<1\displaystyle 0 < A < 1.
  4. En déduire une expression de S(x)\displaystyle S(x) pour tout x[0,1[\displaystyle x \in [0,1[, puis la valeur de S(1)\displaystyle S(1).
  1. On reconnaît un résultat du cours 👉 le critère spécial des séries alternées !
  2. On pense à la question précédente.
  3. On reconnaît une série géométrique 👉 on peut regarder les sommes partielles.
  4. Si on justifie que S=T\displaystyle S'=T (suggéré par l’intuition), on peut utiliser la question précédente.
  1. On est dans le cadre d’application du critère spécial des séries alternées : on sait alors que la série k1(1)kak\displaystyle \sum_{k \ge 1} (-1)^k a_k est convergente, ce qui équivaut à dire que la suite (Rn)n1\displaystyle (R_n)_{n \ge 1} est bien définie et de limite nulle. Mieux encore, on a un contrôle du reste : on sait que Rnan+1\displaystyle |R_n| \le a_{n+1}.
  2. Soit x[0,1]\displaystyle x \in [0,1] fixé. La série k1(1)kfk(x)\displaystyle \sum_{k \ge 1} (-1)^k f_k(x) est une série alternée, on sait donc qu’elle est convergente. Notons S(x)\displaystyle S(x) sa limite. La majoration du reste énoncée à la question précédente permet d’écrire que : x[0,1] , S(x)k1(1)kfk(x)=k=n+1(1)kfk(x)fn+1(x)1n+1.\forall x \in [0,1] \ , \ \left|S(x)- \sum_{k \ge 1} (-1)^k f_k(x)\right| = \left|\sum_{k=n+1}^\infty (-1)^k f_k(x)\right| \le |f_{n+1}(x)| \le \frac{1}{n+1}. On a obtenu une majoration indépendante de x\displaystyle x et de limite nulle, ce qui signifie que la suite k=1n(1)kfk(x)\displaystyle \sum_{k=1}^n (-1)^k f_k(x) converge uniformément vers S\displaystyle S sur [0,1]\displaystyle [0,1].
  3. On connaît une expression des sommes partielles : k=1n(1)kfk(x)=k=1n(1)kxk1=l=0n1(x)l=1(x)n1+x.\sum_{k=1}^n (-1)^k f_k'(x) = \sum_{k=1}^n (-1)^k x^{k-1} = -\sum_{l=0}^{n-1} (-x)^l = -\frac{1-(-x)^n}{1+x}. Soit T:[0,1[R\displaystyle T : [0,1[ \rightarrow \R la fonction définie par T(x)=11+x\displaystyle T(x) = -\frac{1}{1+x}. On a alors : x[0,A] , T(x)k=1n(1)kfk(x)=xn1+xAn.\forall x \in [0,A] \ , \ \left|T(x) -\sum_{k=1}^n (-1)^k f_k'(x) \right| = \frac{|x|^n}{1+x} \le |A|^n. On a obtenu une majoration ne dépendant pas de x\displaystyle x et de limite nulle, la série k=1n(1)kfk(x)\displaystyle \sum_{k=1}^n (-1)^k f_k'(x) converge donc vers T\displaystyle T uniformément sur tout intervalle [0,A]\displaystyle [0,A].
  4. La convergence uniforme de la série des dérivées, ainsi que la convergence en 0\displaystyle 0 de la série k1(1)kfk\displaystyle \sum_{k \ge 1} (-1)^k f_k permet d’affirmer, par un résultat du cours, que la limite S(x)\displaystyle S(x) est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur [0,A]\displaystyle [0,A] et que S(x)=T(x)\displaystyle S'(x) = T(x). Comme S(0)=0\displaystyle S(0)=0, on en déduit que : x[0,A] , S(x)=0xT(t)dt=ln(1+x).\forall x \in [0,A] \ , \ S(x) = \int_0^x T(t) dt = -\ln(1+x). Comme ce résultat est vrai pour tout A<1\displaystyle A<1, on en déduit qu’on a S(x)=ln(1+x)\displaystyle S(x) = -\ln(1+x) pour tout x[0,1[\displaystyle x \in [0,1[. De plus, la fonction S\displaystyle S est continue sur le segment [0,1]\displaystyle [0,1], comme limite uniforme d’une suite de fonctions continues sur [0,1]\displaystyle [0,1], on a donc : k=1(1)kk=S(1)=limx1S(x)=ln(2).\sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^k}{k} = S(1) = \lim_{x \to 1} S(x) = -\ln(2).

Exercice 541 ⭐️⭐️ Série et intégrale, Spé/L2

1.Calculer, pour nN\displaystyle n\in\N^* et pN\displaystyle p\in\N: In,p=0+tpentdt.\displaystyle I_{n,p}=\int_0^{+\infty}t^p e^{-nt}\mathrm{d}t.
2. Montrer l’égalité suivante pour tout pN\displaystyle p\in\N^*:
0+tpet1 dt=p!n=1+1np+1,\int_0^{+\infty}\frac{t^p}{e^t-1}~\mathrm{d} t=p!\sum_{n=1}^{+\infty}\frac{1}{n^{p+1}},après avoir justifié que les deux membres de l’égalité sont bien définis.

  1. Intégration par parties pour baisser la puissance au dessus de t\displaystyle t.
  2. Interversion série et intégrale.

Précisons que In,p\displaystyle I_{n,p} est bien définie car

  • ttpent\displaystyle t\mapsto t^p e^{-nt} est continue sur [0;+[\displaystyle [0;+\infty[,
  • quand t+\displaystyle t\to +\infty, tpent=o(1/t2)\displaystyle t^p e^{-nt} = o(1/t^2) par croissance comparée.

Pour pN\displaystyle p\in\N^*, une I.P.P., justifiée par l’existence de limites finies dans le crochet, donne : In,p=[tpentn]0+0+ptp1(entn)dt=pnIn,p1I_{n,p}=\left[\frac{-t^pe^{-nt}}{n}\right]_0^{+\infty} -\int_0^{+\infty} pt^{p-1}\left(-\frac{e^{-nt}}{n}\right)\mathrm{d}t = \frac pn I_{n,p-1} (puisque limt+tpent=0\displaystyle \lim_{t\to +\infty}t^pe^{-nt}=0). On itère cette relation, ce qui donne (avec In,0=1n\displaystyle I_{n,0}=\frac 1n) : In,p=pn.p1n1n.In,0=p!np+1.I_{n,p} =\frac{p}{n}.\frac{p-1}{n}\dots \frac{1}{n}.I_{n,0}=\frac{p!}{n^{p+1}}.

Convergence de l’intégrale
Soit pN\displaystyle p\in\N^*, et F\displaystyle F définie sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[ par F:ttpet1\displaystyle F:t\to \frac{t^p}{e^t-1}.
Quand t0+\displaystyle t\to 0^+, tpet1tp1\displaystyle \frac{t^p}{e^t-1}\sim t^{p-1}, donc F\displaystyle F est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0.
Quand t+\displaystyle t\to +\infty, tpet1tpet=o(1/t2)\displaystyle \frac{t^p}{e^t-1} \sim t^pe^{-t}=o(1/t^2) par croissance comparée. Donc l’intégrale de F\displaystyle F est convergente au voisinage de +\displaystyle +\infty.

Convergence de la série
p+12\displaystyle p+1\ge 2 donc c’est une série de Riemann convergente.

Démonstration de l’égalité
Soit pN\displaystyle p\in\N^*, posons fn(t)=tpent\displaystyle f_n(t)=t^p e^{-nt}, pour t>0\displaystyle t>0 et nN\displaystyle n\in\N^*.

  • Pour t>0\displaystyle t>0, et]0;1[\displaystyle e^{-t}\in]0;1[ donc n1fn(t)\displaystyle \sum_{n\geq 1}f_n(t) converge (série géométrique), et n=1+fn(t)=tpet1et=tpet1.\sum_{n=1}^{+\infty}f_n(t)=\frac{t^pe^{-t}}{1-e^{-t}}=\frac{t^p}{e^{t}-1}. Ainsi n1fn\displaystyle \sum_{n\ge 1} f_n converge simplement vers F\displaystyle F sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
  • Les fonctions fn\displaystyle f_n, et F\displaystyle F, sont continues (par morceaux) sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
  • On a 0+fn=0+fn=p!np+1\displaystyle \int_0^ {+\infty}|f_n|=\int_0^{+\infty}f_n = \frac{p!}{n^{p+1}}, donc la série n10+fn\displaystyle \sum_{n\ge 1}\int_0^{+\infty}|f_n| converge (comme expliqué plus haut).

Ainsi par théorème d’intégration terme à terme, on a :
n=1+0fn=0+S,\sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^\infty f_n = \int_0^{+\infty} S,

n=1+p!np+1=0+tpet1 dt.\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{p!}{n^{p+1}} = \int_0^{+\infty }\frac{t^p}{e^t-1}~\mathrm{d} t.

Exercice 554 ⭐️ Série des primitives successives, Spé

Soient (a,b)R2\displaystyle (a,b)\in\R^2 avec a<b\displaystyle a<b, fC([a,b],R)\displaystyle f\in\mathcal C([a,b],\R) et (fn)nN\displaystyle (f_n)_{n\in\N} la suite de fonctions d’efinie
par f0=f\displaystyle f_0=f, et, pour tout nN\displaystyle n\in\N et tout x[a,b]\displaystyle x\in [a,b], fn+1(x)=axfn(t)dt.f_{n+1}(x)=\int_a^x f_n(t)\mathrm d t.

  1. Justifier qu’il existe M0\displaystyle M\geq 0 tel que x[a;b], f(x)M\displaystyle \forall x\in[a;b],~|f(x)|\leq M, puis montrer que nN, x[a;b], fn(x)M(xa)nn!.\forall n\in\N,~\forall x\in[a;b],~|f_n(x)|\leq\frac{M(x-a)^n}{n!}.
  2. Justifier que la série de fonctions n0fn\displaystyle \sum_{n\geq 0}f_n converge normalement sur [a;b]\displaystyle [a;b].
    On note F\displaystyle F la somme de cette série.
  3. Montrer que xR\displaystyle \forall x\in\R, axF(t)dt=F(x)f(x)\displaystyle \displaystyle \int_a^x F(t)\mathrm{d} t=F(x)-f(x).
  4. En déduire une expression de F(x)\displaystyle F(x), uniquement en fonction de f\displaystyle f.
  1. f\displaystyle f est continue sur le segment [a,b]\displaystyle [a,b], donc bornée, d’où l’existence de M\displaystyle M.
    Ensuite on montre l’inégalité par récurrence.
  • Pour n=0\displaystyle n=0, c’est justement l’inégalité f(x)M\displaystyle |f(x)|\leq M.
  • Soit nN\displaystyle n\in\N, supposons la propriété vraie eu rang n\displaystyle n. Alors par inégalité triangulaire, pour x[a;b]\displaystyle x\in[a;b],
    fn+1(x)axfn(t)dtaxM(ta)nn! dt=M(xa)n+1(n+1)!.|f_{n+1}(x)|\leq \int_a^x|f_n(t)|\mathrm d t\leq \int_a^x\frac{M(t-a)^n}{n!}~\mathrm d t = \frac{M(x-a)^{n+1}}{(n+1)!}.
  1. L’inégalité montrée en 1. donne fnMn!(ba)n\displaystyle \|f_n\|_{\infty}\leqslant \frac{M}{n!}(b-a)^n.
    Or Mn!(ba)n\displaystyle \sum\frac{M}{n!}(b-a)^n converge (on reconnaît la série exponentielle), donc fn\displaystyle \sum f_n converge normalement sur [a,b]\displaystyle [a,b].
  2. Soit x[a;b]\displaystyle x\in[a;b]. Comme fn\displaystyle \sum f_n converge normalement sur [a;b]\displaystyle [a;b] donc uniformément sur [a;x]\displaystyle [a;x], on a
    axF(t)dt=n=0+axfn(t)dt=n=0+fn+1(x)=n=1+fn(x)=F(x)f(x).\begin{aligned} \int_a^x F(t)\mathrm d t & =\sum_{n=0}^{+\infty}\int_a^x f_n(t)\mathrm d t\\ & =\sum_{n=0}^{+\infty} f_{n+1}(x)\\ & =\sum_{n=1}^{+\infty} f_{n}(x)=F(x)-f(x).\end{aligned}
  3. Posons G:xaxF(t)dt\displaystyle G:x\mapsto\int_a^x F(t)\mathrm d t. G\displaystyle G est solution sur [a;b]\displaystyle [a;b] de (E\displaystyle E) : y=y+f\displaystyle y'=y+f.
  • La solution générale de (E0\displaystyle E_0) : y=y\displaystyle y'=y, est y=λex\displaystyle y=\lambda e^x, λR\displaystyle \lambda\in\R.
  • On peut chercher une solution yp\displaystyle y_p de (E)\displaystyle (E) de la forme yp=λ(x)ex\displaystyle y_p=\lambda(x)e^x.
    yp\displaystyle y_p est alors solution si et seulement si x[a;b],  λ(x)ex=f(x)\displaystyle \forall x\in[a;b],~~\lambda'(x)e^x=f(x).
    Ainsi λ:xaxf(t)et\displaystyle \lambda:x\mapsto \int_a^x f(t)e^{-t} convient, et on en déduit qu’il existe λR\displaystyle \lambda\in\R tel que :
    x[a;b],  G(x)=exaxf(t)etdt+λex.\forall x\in[a;b],~~G(x)=e^x\int_a^x f(t)e^{-t}\mathrm d t+\lambda e^x. Comme G(a)=0\displaystyle G(a)=0, on a λea=0\displaystyle \lambda e^a=0 donc λ=0\displaystyle \lambda=0. Au final pour x[a;b]\displaystyle x\in[a;b] : F(x)=G(x)=f(x)+exaxf(t)etdt=f(x)+axf(t)extdt.\begin{aligned}F(x) = G'(x) & = f(x)+e^x\int_a^x f(t)e^{-t}\mathrm d t \\ &= f(x)+\int_a^x f(t)e^{x-t}\mathrm d t.\end{aligned}

Exercice 565 ⭐️⭐️ Intégration terme à terme VS convergence dominée, Spé

Pour tout nN\displaystyle n\in\N, on pose un=(1)n0π2cosn(t)dt\displaystyle u_n=(-1)^n\int^{\frac{\pi}{2}}_0\cos^n(t) dt.
1.Prouver que la série n0un\displaystyle \sum_{n\geqslant0}u_n converge.
2. Linéariser cos2(t/2)\displaystyle \cos^2(t/2), puis calculer I=0π211+cos(t)dt\displaystyle I=\int^{\frac{\pi}{2}}_0 \frac{1}{1+\cos(t)}d t.
3. Déterminer une relation de récurrence entre un+2\displaystyle \vert u_{n+2}\vert et un\displaystyle \vert u_n\vert.
4. Montrer par récurrence : nN\displaystyle \forall n\in\N, un1n+1\displaystyle |u_n|\geqslant\frac{1}{n+1}.
5. Peut-on utiliser le théorème d’intégration terme à terme pour calculer n=0un\displaystyle \sum_{n=0}^\infty u_n ?
6. En appliquant le théorème de convergence dominée, calculer la valeur de n=0+un\displaystyle \sum^{+\infty}_{n=0}u_n.

  1. série alternée 👉 on pense au critère des … ?
  2. C’est du calcul.
  3. Intégration par parties.
  4. R.A.S.
  5. La formulation de la question laisse deviner que non… quelle hypothèse coince ?
  6. Série = suite des sommes partielles.
  1. (un)\displaystyle (u_n) est clairement du signe de (1)n\displaystyle (-1)^n, de plus :
  • (un)\displaystyle (|u_n|) est décroissante par intégration de l’inégalité : t[0;π/2]\displaystyle \forall t\in[0;\pi/2], 0cosn+1(t)cosn(t)\displaystyle 0\le \cos^{n+1}(t)\leq\cos^n(t).
  • (un)\displaystyle (|u_n|) converge vers 0\displaystyle 0 par convergence dominée. En effet pour t]0;π/2]\displaystyle t\in]0;\pi/2], quand n\displaystyle n\to\infty, cosn(t)0\displaystyle \cos^n(t)\to 0, et sur cet intervalle on a la domination : nN, un(t)1\displaystyle \forall n\in\N,~|u_n(t)|\le 1, avec t1\displaystyle t\mapsto 1 intégrable.
    Conclusion. Par critère des séries alternées, la série n0un\displaystyle \sum_{n\geqslant0}u_n converge.
  1. cos(t)=2cos2(t/2)1\displaystyle \cos(t)=2\cos^2(t/2)-1, donc cos2(t/2)=1+cos(t)2\displaystyle \cos^2(t/2)=\frac{1+\cos(t)}{2}.
    En se rappelant qu’une primitive de x1cos2(x)\displaystyle x\mapsto \frac{1}{\cos^2(x)} sur ]π2;π2[\displaystyle ]-\frac{\pi}{2}; \frac{\pi}{2}[ est xtan(x)\displaystyle x\mapsto \tan(x), on a :
    I=0π/212cos2(t/2) dt=12[2tan(t/2)]0π/2=tan(π/4)tan(0)=1.I=\int_0^{\pi/2}\frac{1}{2\cos^2(t/2)}~dt = \frac 12\big[ 2\tan(t/2)\big]_0^{\pi/2}=\tan(\pi/4)-\tan(0)=1.
  2. Ce sont les fameuses “intégrales de Wallis”. Soit nN\displaystyle n\in\N.
    Par intégration par parties (sur des fonctions C1\displaystyle \mathcal C^1 sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2]), on a :
    un+2=0π/2cos(t)cosn+1(t)dt=[sin(t)cosn+1(t)]0π/20π/2(n+1)sin(t)cosn(t)sin(t)dt.\begin{aligned} |u_{n+2}| & = \int_0^{\pi/2}\cos(t)\cos^{n+1}(t)dt\\ & = \bigg[\sin(t)\cos^{n+1}(t)\bigg]_0^{\pi/2}-\int_0^{\pi/2} -(n+1)\sin(t)\cos^n(t)\sin(t)dt. \end{aligned} Le crochet est nul car sin(0)=cos(π/2)=0\displaystyle \sin(0)=\cos(\pi/2)=0, et avec sin2=1cos2\displaystyle \sin^2=1-\cos^2 on obtient donc
    un+2=(n+1)0π/2(cosn(t)cosn+2(t))dt=(n+1)(unun+2)(lineˊariteˊ de l’inteˊgrale),\begin{aligned} |u_{n+2}| & = (n+1)\int_0^{\pi/2}(\cos^n(t)-\cos^{n+2}(t))dt\\ & = (n+1)(|u_n|-|u_{n+2}|)\qquad\text{(linéarité de l'intégrale)}, \end{aligned} et finalement en isolant un+2\displaystyle |u_{n+2}| on obtient un+2=n+1n+2 un\displaystyle |u_{n+2}| = \frac{n+1}{n+2}~|u_n|.
  3. Montrons par récurrence double, pour nN\displaystyle n\in\N, la propriété
    P(n) : un1n+1.\mathcal{P}(n)~:~|u_n|\ge\frac{1}{n+1}.
    On a u0=π2\displaystyle |u_0|=\frac{\pi}{2} et u1=0π/2cos(t)dt=112\displaystyle |u_1|=\int_0^{\pi/2}\cos(t)dt=1\ge \frac{1}{2}, donc P(0)\displaystyle \mathcal{P}(0), P(1)\displaystyle \mathcal{P}(1) sont vraies.
    Soit n0\displaystyle n\ge 0. Supposons P(n)\displaystyle \mathcal{P}(n) et P(n+1)\displaystyle \mathcal{P}(n+1) vraies, alors un+2=n+1n+2 unn+1n+2.1n+1(par hyp. de reˊc.)|u_{n+2}| = \frac{n+1}{n+2}~|u_n|\ge \frac{n+1}{n+2}.\frac{1}{n+1}\qquad\text{(par hyp. de réc.)} donc un+21n+21n+3\displaystyle |u_{n+2}|\ge \frac{1}{n+2}\ge\frac{1}{n+3}.
  4. Il s’agirait d’appliquer ce théorème sur ]0;π/2]\displaystyle ]0;\pi/2], en espérant obtenir :
    n=0un=0π/2(n=0(1)ncosn(t))dt=0π/211+cos(t) dt.\sum_{n=0}^\infty u_n = \int_0^{\pi/2}\left(\sum_{n=0}^\infty(-1)^n\cos^n(t)\right)dt = \int_0^{\pi/2} \frac{1}{1+\cos(t)}~dt.
    Malheureusement ce théorème ne s’applique pas, car avec vn:t(1)ncosn(t)\displaystyle v_n:t\mapsto (-1)^n\cos^n(t), on a 0π/2vn=vn1n+1\displaystyle \int_0^{\pi/2}|v_n|=|v_n|\geq\frac{1}{n+1}, terme général d’une série divergente, donc par comparaison n00π/2vn\displaystyle \sum_{n\ge 0}\int_0^{\pi/2}|v_n| diverge.
  5. On vérifie les hypothèses du théorème de convergence dominée pour la suite de fonctions de terme général Vn=k=0nvk\displaystyle V_n=\sum_{k=0}^n v_k:
  • pour t]0;π/2]\displaystyle t\in]0;\pi/2], Vn(t)n11+cos(t)\displaystyle V_n(t)\underset{n\to\infty}\to \frac{1}{1+\cos(t)} (série géométrique de raison cos(t)]1;1[\displaystyle -\cos(t)\in]-1;1[).
    Donc (Vn)\displaystyle (V_n) converge simplement sur ]0;π/2]\displaystyle ]0;\pi/2] vers la fonction V:t11+cos(t)\displaystyle V:t\mapsto \frac{1}{1+\cos(t)};
  • les fonctions Vn\displaystyle V_n et la fonction V\displaystyle V sont continues (par morceaux) sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2];
  • Pour nN\displaystyle n\in\N et t]0;π/2]\displaystyle t\in]0;\pi/2],
    Vn(t)=k=0n(cos(t))k=1(cos(t))n+11+cos(t)  I.T.  21+cos(t)2,|V_n(t)| =\left|\sum_{k=0}^n (-\cos(t))^k\right| =\left|\frac{1-(-\cos(t))^{n+1}}{1+\cos (t)}\right|~~\underset{\text{I.T.}}{\leq}~~ \frac{2}{1+\cos(t)}\leq 2,avec t2\displaystyle t\mapsto 2 intégrable sur ]0;π/2]\displaystyle ]0;\pi/2].
    Conclusion. Par convergence dominée :
    n=0un=limnk=0nuk=limn0π/2Vn(t)dt=0π/2V(t)dt=1.\sum_{n=0}^\infty u_n = \underset{n\to\infty}{\lim} \sum_{k=0}^n u_k = \underset{n\to\infty}{\lim}\int_0^{\pi/2}V_n(t) dt = \int_0^{\pi/2}V(t)dt=1.