Établir une relation entre ζ(x)=n=1∑∞nx1, x>1, et η(x)=n=1∑∞nx(−1)n, x>0.
Réflexes
1+(−1)n=0 si n est impair.
Corrigé
On a, pour x>1, ζ(x)+η(x)=n=1∑∞nx1+(−1)n=k=1∑∞(2k)x2=2x−11ζ(x), donc ζ(x)=(2x−11−1)−1η(x), qui est un prolongement de ζ sur ]0,+∞[ privé de 1. C’est en fait LE prolongement analytique de ζ pour tout x=σ+it, σ>0 et x=1 (unicité du prolongement analytique).
Exercice 30 ⭐️⭐️⭐️ Série des dilatés, Spé/L2
Soit f:R+→R+ une fonction intégrable, décroissante et tendant vers 0 en l’infini.
Montrer que n≥1∑f(nt), t>0, converge et que n≥1∑f(nt)∼t→0t1∫0∞f(x)dx.
Application — Donner un équivalent de n≥0∑e−n2t et n≥1∑1+n2t21 quand t→0, et de n≥1∑xn2 quand x→1−.
Réflexes
Une somme et une intégrale avec une fonction monotone 👉 Comparaison série-intégrale.
Corrigé
On fixe t>0. Comme f est décroissante, ∫nt(n+1)tf(x)dx≤∫nt(n+1)tf(nt)dx=tf(nt)≤∫(n−1)tntf(x)dx, et en sommant ∫t(N+1)tf(x)dx≤tn=1∑Nf(nt)≤∫0Ntf(x)dx. Comme f est ≥0 et intégrable, on en déduit la convergence de la série et par passage à la limite en N : ∫t∞f(x)dx≤tn=1∑∞f(nt)≤∫0∞f(x)dx. En passant à la limite en t, on conclut avec le théorème des gendarmes.
Application− Soit x=e−t2. On a n≥1∑xn2=n≥1∑e−(nt)2∼t→0t1∫0∞e−u2du. Comme t=−ln(x), ∫0∞e−u2du=2π et ln(x)∼x→1x−1, on obtient n≥1∑xn2∼x→1−21−xπ.
Exercice 31 ⭐️⭐️ Spé/Classique
Soit θ=0mod2π. Grâce à la suite de fonction Sn(x):=k=0∑nei(k+1)θxk , établir : ∫011−eiθxeiθdx=n>0∑neinθ.
Réflexes
1−y1 👉 Série géométrique ;
Une intégrale et une somme 👉 Interversion série intégrale.
Corrigé
On a Sn(x)=eiθ1−eiθx1−ei(n+1)θxn+1, donc ∣Sn(x)∣≤∣1−eiθx∣2 . Or x↦∣1−eiθx∣2 est continue sur [0,1] car θ=0[2π], donc intégrable sur [0,1]. On peut alors appliquer le théorème de convergence dominée à la suite de fonctions (Sn) : ∫011−eiθxeiθdx=∫01limSn(x)dx=lim∫01Sn(x)dx.
Comme ∫01Sn(x)dx=k=0∑n∫01ei(k+1)θxkdx=k=1∑n+1keikθ, on en déduit que ∑keikθ converge et que : ∫011−eiθxeiθdx=k≥1∑keikθ.
Exercice 32 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Théorème de Dirichlet, Théorème de Bohr, MP/Agreg
On note respectivement {u} et [u] la partie fractionnaire et la partie entière d’un réel u≥0, i.e. u=[u]+{u}.
Soit q,n∈N∗ et x=(xi)∈Rn. Démontrer : ∃p∈{1,⋯,qn},∀i∈{1,⋯,n},d(pxi,Z)<q1.
On considérera les qn+1 vecteurs de Rn : uk=({kx1},⋯,{kxn}) avec 0≤k≤qn.
Soit an≥0 et x0∈R. Supposons que n=1∑+∞nx0an diverge et que n=1∑+∞nxan converge pour x>x0.
Soit T>0. Pour Re(z)>x0, posons f(z)=n=1∑+∞nzan.
Montrer que f n’est pas bornée dans {z∈C,Im(z)⩾T,Re(z)>x0}.
On applique le principe des tiroirs à l’hypercube [0,1]n découpé en qn petits hypercubes dont les aretes sont du type [r/q,(r+1)/q[. Alors il existe k et q tels que uk et uq sont dans le même petit cube, i.e. ∥uk−uq∥∞<1/q et donc pour tout i, ∣{kxi}−{qxi}∣=∣kxi−[kxi]−(qxi−[qxi])∣<1/q. Il suffit donc de prendre p=k−q pour obtenir le résultat.
D’abord, observons que si x∈R, f(x)=n=1∑+∞nxan diverge quand x→x0. En effet, si f était bornée par M, on aurait pour x proche de x0, n=1∑Nnx0an≤2n=1∑Nnxan≤2n=1∑∞nxan≤2M, ce qui contredit que la série n=1∑+∞nx0an diverge (Rappelons que an≥0).
Soit A>0. On peut donc trouver x>x0 tel que n=1∑+∞nxan>A. On se donne N tel que n=N∑+∞nxan<A/4.
Par l’inégalité triangulaire, on a ∣f(x+iy)∣≥∣∣∣∣∣∣n=1∑Nnx+iyan∣∣∣∣∣∣−∣∣∣∣∣∣n=N+1∑∞nx+iyan∣∣∣∣∣∣(⋆).
Remarquons que ∣∣∣∣∣∣n=1∑Nnx+iyan∣∣∣∣∣∣≥Ren=1∑Nnx+iyan=n=1∑Nnxancos(ylnn).
Or d’après 1) il existe p tel que pour tout 1≤n≤N, d(pTlnn,Z)≤61, i.e. d(2πpTlnn,2πZ)≤3π.
Donc en prenant y=2πpT≥T, on obtient cos(ylnn)≥1/2 si 1≤n≤N.
Ainsi n=1∑Nnxancos(ylnn)≥21n=1∑Nnxan≥21(A−A/4)=83A, où on a encore utilisé l’inégalité triangulaire.
Donc, d’après (⋆), ∣f(x+iy)∣≥83A−4A=8A pour y=2πpT≥T, ce qui prouve que f n’est pas bornée sur {Im(z)⩾T,Re(z)>x0}.
Exercice 33 ⭐️⭐️ Spé/L3
Soit a,b>0. Montrer que ∫0∞1−e−bxxe−axdx=n≥0∑(a+bn)21. Equivalent quand a→0 ?
Réflexes
1−y1 👉 Série géométrique !
Interversion série intégrale.
Corrigé
D’après le théorème d’intégration terme à terme, on a ∫0∞1−e−bxxe−axdx=∫0∞xe−axn=0∑∞e−nbxdx=n=0∑∞∫0∞xe−(a+bn)xdx, car ∫0∞xe−(a+bn)xdx=(a+bn)21 (on a fait le changement de variable y=(a+bn)x) est le terme général d’une série convergente. Ainsi ∫0∞1−e−bxxe−axdx=n≥0∑(a+bn)21.
Exercice 34 ⭐️⭐️ Spé/L3
Soit a>0. Montrer que ∫011+xadx=n≥0∑1+an(−1)n. Limite quand a→0 ?
Réflexes
1±y1 👉 Série géométrique !
Interversion série intégrale.
Corrigé
On fait le calcul formellement supposant qu’on peut intervertir somme et intégrale : ∫011+xadx=∫01n≥0∑(−xa)ndx=n≥0∑∫01(−1)nxandx=n≥0∑(−1)n[1+anx1+an]01, ce qu’on voulait. On peut justifier l’interversion somme et intégrale comme suit. La série alternée ∑(−1)nxan ne convergeant pas uniformément sur [0,1] et le théorème d’intégration terme à terme ne pouvant s’appliquer car n≥0∑1+an1=∞, on a plus le choix : convergence dominée avec les sommes partielles, et ça marche. En effet on ∣∣∣∣∣∣0≤n≤N∑(−1)nxan∣∣∣∣∣∣=∣∣∣∣∣xa+1(−xa)N+1−1∣∣∣∣∣≤2, et le constante est intégrable sur [0,1]. Donc on peut écrire : ∫n=0∑∞=∫N→∞limn=0∑N=N→∞lim∫n=0∑N=N→∞limn=0∑N∫=n=0∑∞∫. Pour la limite en a→0, on peut appliquer le théorème CVD à l’intégrale car pour tout x∈]0,1] et tout a>0, on a ∣1/(1+xa)∣≤1, et 1 est intégrable sur [0,1]. Donc, comme xa→1 quand a→0 avec x>0, on obtient : n≥0∑1+an(−1)na→021.
Exercice 35 ⭐️⭐️⭐️ ENS, Spé/L2
Montrer que (1+nz)n converge uniformément vers ez sur tout compact de C.
Réflexes
(a+b)n 👉 Formule du binôme.
Corrigé
On a (1+nz)n=k=0∑n(kn)nkzk=k=0∑nnkn(n−1)⋯(n−k+1)k!zk, en utilisant la formule du binôme et la définition de (kn). En écrivant la série de l’exponentielle, on obtient donc ez−(1+nz)n=k=0∑n(1−nkn(n−1)⋯(n−k+1))k!zk+k=n+1∑∞nkzk. On choisit désormais z quelconque dans la boule B(0,M) de centre 0 et de rayon M>0, i.e. ∣z∣≤M. Ainsi, par l’inégalité triangulaire : ∣∣∣∣ez−(1+nz)n∣∣∣∣≤k=0∑n(1−nkn(n−1)⋯(n−k+1))k!Mk+k=n+1∑∞nkMk, car 1−nkn(n−1)⋯(n−k+1)≥0.
D’où ∣∣∣∣ez−(1+nz)n∣∣∣∣≤eM−(1+nM)n. En utilisant que (1+nM)nn→∞eM, on conclut que z∈B(0,M)sup∣∣∣∣ez−(1+nz)n∣∣∣∣n→∞0, ce qu’on voulait. Remarque — L’inégalité ∣∣∣∣ez−(1+nz)n∣∣∣∣≤eM−(1+nM)n pour ∣z∣≤M est quasiment miraculeuse car l’inégalité triangulaire appliquée brutalement donne ∣∣∣∣ez−(1+nz)n∣∣∣∣≤eM+(1+nM)n.
Exercice 36 ⭐️⭐️ Spé/L2
Soit (an) une suite >0 croissante et tendant vers +∞, et f(x)=n≥0∑(−1)ne−anx.
Définition et continuité de f ?
Calculer ∫0∞f(x)dx.
Corrigé
Bientôt !
Exercice 284 ⭐️⭐️ Spé/L2
Soit (an)n≥1 une suite de réels positifs, décroissante et de limite nulle. Que dire de Rn=k=n+1∑∞(−1)kak ?
Pour n≥1, on pose fn(k)=kxk. Montrer que la série de fonctions S(x)=k=1∑∞(−1)kfk(x) converge uniformément sur [0,1].
Montrer que la série T(x)=k=1∑∞(−1)kfk′(x) converge uniformément sur tout intervalle [0,A], avec 0<A<1.
En déduire une expression de S(x) pour tout x∈[0,1[, puis la valeur de S(1).
Réflexes
On reconnaît un résultat du cours 👉 le critère spécial des séries alternées !
On pense à la question précédente.
On reconnaît une série géométrique 👉 on peut regarder les sommes partielles.
Si on justifie que S′=T (suggéré par l’intuition), on peut utiliser la question précédente.
Corrigé
On est dans le cadre d’application du critère spécial des séries alternées : on sait alors que la série k≥1∑(−1)kak est convergente, ce qui équivaut à dire que la suite (Rn)n≥1 est bien définie et de limite nulle. Mieux encore, on a un contrôle du reste : on sait que ∣Rn∣≤an+1.
Soit x∈[0,1] fixé. La série k≥1∑(−1)kfk(x) est une série alternée, on sait donc qu’elle est convergente. Notons S(x) sa limite. La majoration du reste énoncée à la question précédente permet d’écrire que : ∀x∈[0,1],∣∣∣∣∣∣S(x)−k≥1∑(−1)kfk(x)∣∣∣∣∣∣=∣∣∣∣∣∣k=n+1∑∞(−1)kfk(x)∣∣∣∣∣∣≤∣fn+1(x)∣≤n+11. On a obtenu une majoration indépendante de x et de limite nulle, ce qui signifie que la suite k=1∑n(−1)kfk(x) converge uniformément vers S sur [0,1].
On connaît une expression des sommes partielles : k=1∑n(−1)kfk′(x)=k=1∑n(−1)kxk−1=−l=0∑n−1(−x)l=−1+x1−(−x)n. Soit T:[0,1[→R la fonction définie par T(x)=−1+x1. On a alors : ∀x∈[0,A],∣∣∣∣∣∣T(x)−k=1∑n(−1)kfk′(x)∣∣∣∣∣∣=1+x∣x∣n≤∣A∣n. On a obtenu une majoration ne dépendant pas de x et de limite nulle, la série k=1∑n(−1)kfk′(x) converge donc vers T uniformément sur tout intervalle [0,A].
La convergence uniforme de la série des dérivées, ainsi que la convergence en 0 de la série k≥1∑(−1)kfk permet d’affirmer, par un résultat du cours, que la limite S(x) est de classe C1 sur [0,A] et que S′(x)=T(x). Comme S(0)=0, on en déduit que : ∀x∈[0,A],S(x)=∫0xT(t)dt=−ln(1+x). Comme ce résultat est vrai pour tout A<1, on en déduit qu’on a S(x)=−ln(1+x) pour tout x∈[0,1[. De plus, la fonction S est continue sur le segment [0,1], comme limite uniforme d’une suite de fonctions continues sur [0,1], on a donc : k=1∑∞k(−1)k=S(1)=x→1limS(x)=−ln(2).
Exercice 541 ⭐️⭐️ Série et intégrale, Spé/L2
1.Calculer, pour n∈N∗ et p∈N: In,p=∫0+∞tpe−ntdt.
2. Montrer l’égalité suivante pour tout p∈N∗: ∫0+∞et−1tpdt=p!n=1∑+∞np+11,après avoir justifié que les deux membres de l’égalité sont bien définis.
Réflexes
Intégration par parties pour baisser la puissance au dessus de t.
Interversion série et intégrale.
Corrigé
Précisons que In,p est bien définie car
t↦tpe−nt est continue sur [0;+∞[,
quand t→+∞, tpe−nt=o(1/t2) par croissance comparée.
Pour p∈N∗, une I.P.P., justifiée par l’existence de limites finies dans le crochet, donne : In,p=[n−tpe−nt]0+∞−∫0+∞ptp−1(−ne−nt)dt=npIn,p−1 (puisque t→+∞limtpe−nt=0). On itère cette relation, ce qui donne (avec In,0=n1) : In,p=np.np−1…n1.In,0=np+1p!.
Convergence de l’intégrale
Soit p∈N∗, et F définie sur ]0;+∞[ par F:t→et−1tp.
Quand t→0+, et−1tp∼tp−1, donc F est prolongeable par continuité en 0.
Quand t→+∞, et−1tp∼tpe−t=o(1/t2) par croissance comparée. Donc l’intégrale de F est convergente au voisinage de +∞.
Convergence de la série p+1≥2 donc c’est une série de Riemann convergente.
Démonstration de l’égalité
Soit p∈N∗, posons fn(t)=tpe−nt, pour t>0 et n∈N∗.
Pour t>0, e−t∈]0;1[ donc n≥1∑fn(t) converge (série géométrique), et n=1∑+∞fn(t)=1−e−ttpe−t=et−1tp. Ainsi n≥1∑fn converge simplement vers F sur ]0;+∞[.
Les fonctions fn, et F, sont continues (par morceaux) sur ]0;+∞[.
On a ∫0+∞∣fn∣=∫0+∞fn=np+1p!, donc la série n≥1∑∫0+∞∣fn∣ converge (comme expliqué plus haut).
Ainsi par théorème d’intégration terme à terme, on a : n=1∑+∞∫0∞fn=∫0+∞S,
n=1∑+∞np+1p!=∫0+∞et−1tpdt.
Exercice 554 ⭐️ Série des primitives successives, Spé
Soient (a,b)∈R2 avec a<b, f∈C([a,b],R) et (fn)n∈N la suite de fonctions d’efinie
par f0=f, et, pour tout n∈N et tout x∈[a,b], fn+1(x)=∫axfn(t)dt.
Justifier qu’il existe M≥0 tel que ∀x∈[a;b],∣f(x)∣≤M, puis montrer que ∀n∈N,∀x∈[a;b],∣fn(x)∣≤n!M(x−a)n.
Justifier que la série de fonctions n≥0∑fn converge normalement sur [a;b].
On note F la somme de cette série.
Montrer que ∀x∈R, ∫axF(t)dt=F(x)−f(x).
En déduire une expression de F(x), uniquement en fonction de f.
Réflexes
Corrigé
f est continue sur le segment [a,b], donc bornée, d’où l’existence de M.
Ensuite on montre l’inégalité par récurrence.
Pour n=0, c’est justement l’inégalité ∣f(x)∣≤M.
Soit n∈N, supposons la propriété vraie eu rang n. Alors par inégalité triangulaire, pour x∈[a;b], ∣fn+1(x)∣≤∫ax∣fn(t)∣dt≤∫axn!M(t−a)ndt=(n+1)!M(x−a)n+1.
L’inégalité montrée en 1. donne ∥fn∥∞⩽n!M(b−a)n.
Or ∑n!M(b−a)n converge (on reconnaît la série exponentielle), donc ∑fn converge normalement sur [a,b].
Soit x∈[a;b]. Comme ∑fn converge normalement sur [a;b] donc uniformément sur [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).
Posons G:x↦∫axF(t)dt. G est solution sur [a;b] de (E) : y′=y+f.
La solution générale de (E0) : y′=y, est y=λex, λ∈R.
On peut chercher une solution yp de (E) de la forme yp=λ(x)ex. yp est alors solution si et seulement si ∀x∈[a;b],λ′(x)ex=f(x).
Ainsi λ:x↦∫axf(t)e−t convient, et on en déduit qu’il existe λ∈R tel que : ∀x∈[a;b],G(x)=ex∫axf(t)e−tdt+λex. Comme G(a)=0, on a λea=0 donc λ=0. Au final pour x∈[a;b] : F(x)=G′(x)=f(x)+ex∫axf(t)e−tdt=f(x)+∫axf(t)ex−tdt.
Exercice 565 ⭐️⭐️ Intégration terme à terme VS convergence dominée, Spé
Pour tout n∈N, on pose un=(−1)n∫02πcosn(t)dt.
1.Prouver que la série n⩾0∑un converge.
2. Linéariser cos2(t/2), puis calculer I=∫02π1+cos(t)1dt.
3. Déterminer une relation de récurrence entre ∣un+2∣ et ∣un∣.
4. Montrer par récurrence : ∀n∈N, ∣un∣⩾n+11.
5. Peut-on utiliser le théorème d’intégration terme à terme pour calculer n=0∑∞un ?
6. En appliquant le théorème de convergence dominée, calculer la valeur de n=0∑+∞un.
Réflexes
série alternée 👉 on pense au critère des … ?
C’est du calcul.
Intégration par parties.
R.A.S.
La formulation de la question laisse deviner que non… quelle hypothèse coince ?
Série = suite des sommes partielles.
Corrigé
(un) est clairement du signe de (−1)n, de plus :
(∣un∣) est décroissante par intégration de l’inégalité : ∀t∈[0;π/2], 0≤cosn+1(t)≤cosn(t).
(∣un∣) converge vers 0 par convergence dominée. En effet pour t∈]0;π/2], quand n→∞, cosn(t)→0, et sur cet intervalle on a la domination : ∀n∈N,∣un(t)∣≤1, avec t↦1 intégrable. Conclusion. Par critère des séries alternées, la série n⩾0∑un converge.
cos(t)=2cos2(t/2)−1, donc cos2(t/2)=21+cos(t).
En se rappelant qu’une primitive de x↦cos2(x)1 sur ]−2π;2π[ est x↦tan(x), on a : I=∫0π/22cos2(t/2)1dt=21[2tan(t/2)]0π/2=tan(π/4)−tan(0)=1.
Ce sont les fameuses “intégrales de Wallis”. Soit n∈N.
Par intégration par parties (sur des fonctions C1 sur [0;π/2]), on a : ∣un+2∣=∫0π/2cos(t)cosn+1(t)dt=[sin(t)cosn+1(t)]0π/2−∫0π/2−(n+1)sin(t)cosn(t)sin(t)dt. Le crochet est nul car sin(0)=cos(π/2)=0, et avec sin2=1−cos2 on obtient donc ∣un+2∣=(n+1)∫0π/2(cosn(t)−cosn+2(t))dt=(n+1)(∣un∣−∣un+2∣)(lineˊariteˊ de l’inteˊgrale), et finalement en isolant ∣un+2∣ on obtient ∣un+2∣=n+2n+1∣un∣.
Montrons par récurrence double, pour n∈N, la propriété P(n):∣un∣≥n+11.
On a ∣u0∣=2π et ∣u1∣=∫0π/2cos(t)dt=1≥21, donc P(0), P(1) sont vraies.
Soit n≥0. Supposons P(n) et P(n+1) vraies, alors ∣un+2∣=n+2n+1∣un∣≥n+2n+1.n+11(par hyp. de reˊc.) donc ∣un+2∣≥n+21≥n+31.
Il s’agirait d’appliquer ce théorème sur ]0;π/2], en espérant obtenir : n=0∑∞un=∫0π/2(n=0∑∞(−1)ncosn(t))dt=∫0π/21+cos(t)1dt.
Malheureusement ce théorème ne s’applique pas, car avec vn:t↦(−1)ncosn(t), on a ∫0π/2∣vn∣=∣vn∣≥n+11, terme général d’une série divergente, donc par comparaison n≥0∑∫0π/2∣vn∣ diverge.
On vérifie les hypothèses du théorème de convergence dominée pour la suite de fonctions de terme général Vn=k=0∑nvk:
pour t∈]0;π/2], Vn(t)n→∞→1+cos(t)1 (série géométrique de raison −cos(t)∈]−1;1[).
Donc (Vn) converge simplement sur ]0;π/2] vers la fonction V:t↦1+cos(t)1;
les fonctions Vn et la fonction V sont continues (par morceaux) sur [0;π/2];
Pour n∈N et t∈]0;π/2], ∣Vn(t)∣=∣∣∣∣∣∣k=0∑n(−cos(t))k∣∣∣∣∣∣=∣∣∣∣∣1+cos(t)1−(−cos(t))n+1∣∣∣∣∣I.T.≤1+cos(t)2≤2,avec t↦2 intégrable sur ]0;π/2]. Conclusion. Par convergence dominée : n=0∑∞un=n→∞limk=0∑nuk=n→∞lim∫0π/2Vn(t)dt=∫0π/2V(t)dt=1.