Sommabilité

Exercice 64 ⭐️⭐️ MP/L2

Soit a,b>1\displaystyle a,b>1. Montrer que la famille (1an+bm)n,m0\displaystyle \left(\frac{1}{a^n+b^m}\right)_{n,m\ge0} est sommable.

Sommation par paquet, transformation somme en produit.

Avec l’inégalité 2xyx2+y2\displaystyle 2xy\le x^2+y^2, on obtient 2an/2bm/2an+bm\displaystyle 2 a^{n/2}b^{m/2}\le a^n+b^m et 1an+bm121an/2bn/2\displaystyle \frac{1}{a^n+b^m}\le \frac12 \frac{1}{a^{n/2}b^{n/2}}. Comme a>1\displaystyle a>1, on en déduit que n01(a)n<+\displaystyle \sum_{n\ge 0}\frac{1}{(\sqrt{a})^n}<+\infty (idem pour b\displaystyle b), et donc que la famille (1an+bm)n,m0\displaystyle \left(\frac{1}{a^n+b^m}\right)_{n,m\ge0} est sommable.

Exercice 65 ⭐️ MP/L2

Soit θR\displaystyle \theta\in\R. Calculer la somme p,q0cos((p+q)θ)p!q!\displaystyle \sum_{p,q\ge0} \frac{\cos((p+q)\theta)}{p!q!}.

  • cos(p+q)\displaystyle \cos(p+q) 👉 écriture exponentielle complexe ;
  • une somme avec 1/p!\displaystyle 1/p! 👉 série de l’exponentielle.

On a pour tout p,q0\displaystyle p,q\ge0, cos((p+q)θ)p!q!1p!q!\displaystyle \left|\frac{\cos((p+q)\theta)}{p!q!}\right|\le \frac{1}{p!q!}. Comme p01p!<+\displaystyle \sum_{p\ge0}\frac{1}{p!}<+\infty, on en déduit que la famille (cos((p+q)θ)p!q!)p,q\displaystyle \left(\frac{\cos((p+q)\theta)}{p!q!}\right)_{p,q} est sommable. On remarque que la somme considérée est la partie réelle de la somme S=p,q0ei(p+q)θp!q!\displaystyle S=\sum_{p,q\ge0} \frac{e^{i(p+q)\theta}}{p!q!} (qui est la somme d’une famille sommable de la même façon).
Comme ei(p+q)θ=eipθeiqθ\displaystyle e^{i(p+q)\theta}=e^{ip\theta}e^{iq\theta} et que p0eipθp!=eeiθ\displaystyle \sum_{p\ge0}\frac{e^{ip\theta}}{p!}=e^{e^{i\theta}}, on en déduit que S=e2eiθ\displaystyle S=e^{2e^{i\theta}}. Par conséquent : p,q0cos((p+q)θ)p!q!=e2cosθcos(2sinθ).\sum_{p,q\ge0} \frac{\cos((p+q)\theta)}{p!q!}=e^{2\cos \theta}\cos(2\sin \theta).

Exercice 66 ⭐️⭐️ Convergence dominée pour les suites, Spé/L2

Soit (an,k)n,k0\displaystyle (a_{n,k})_{n,k \ge 0} une famille de réels. On suppose que :

  • Pour tout k0\displaystyle k \geq 0, la suite (an,k)n0\displaystyle (a_{n,k})_{n \geq 0} est convergente, de limite ak\displaystyle a_k.
  • Il existe une famille (bk)k0\displaystyle (b_k)_{k \ge 0} telle que an,kbk\displaystyle |a_{n,k}| \le b_k pour tout k,n0\displaystyle k,n \ge 0 et telle que k=0bk<\displaystyle \sum_{k =0}^\infty b_k < \infty.

Montrer que les quantités Sn=k=0an,k\displaystyle S_n = \sum_{k=0}^\infty a_{n,k} et S=k=0ak\displaystyle S=\sum_{k=0}^\infty a_k sont bien définies, puis que l’on a limnSn=S\displaystyle \lim_{n \to \infty} S_n = S.

L’inégalité an,kbk\displaystyle |a_{n,k}| \le b_k montre que la série k0an,k\displaystyle \sum_{k \ge 0} a_{n,k} est absolument convergente, donc convergente. Ainsi Sn\displaystyle S_n est bien définie. De plus, par passage à la limite en n\displaystyle n, on a également akbk\displaystyle |a_k| \le b_k, et on conclut de la même façon que S\displaystyle S est bien définie.

Soit ε>0\displaystyle \varepsilon > 0. La série k0bk\displaystyle \sum_{k \ge 0} b_k est convergente, donc il existe un rang K1\displaystyle K \ge 1 tel que k=Kbkε3\displaystyle \sum_{k=K}^\infty b_k \leq \frac{\varepsilon}{3}.
Soit maintenant k{0,,K1}\displaystyle k \in \{0,\ldots,K-1\}. Par définition de la limite d’une suite, il existe un rang nk1\displaystyle n_k \ge 1 tel que nnk , an,kakε3K.\displaystyle \forall n \ge n_k \ , \ |a_{n,k}-a_k| \leq \frac{\varepsilon}{3K}.
On pose N=max{n0,,nK1}\displaystyle N = \max\{n_0,\ldots,n_{K-1}\}. Par l’inégalité triangulaire, on a pour nN\displaystyle n\ge N :
SnSk=0K1an,kak+k=Kan,k+k=KakKε3K+ε3+ε3.\begin{aligned} |S_n-S| & \leq \sum_{k=0}^{K-1} |a_{n,k}-a_k| + \sum_{k=K}^\infty |a_{n,k}| + \sum_{k=K}^\infty |a_k| \\ &\leq K\cdot \frac{\varepsilon}{3K}+\frac{\varepsilon}{3} +\frac{\varepsilon}{3}. \end{aligned} On a donc : nN , SnSε,\displaystyle \forall n \ge N \ , \ |S_n-S| \le \varepsilon, ce qui prouve la limite souhaitée.

Remarque pour les passionné(e)s — Ce corrigé est une preuve élémentaire d’un théorème de convergence dominée dans le cas discret. Le théorème de convergence dominée est un théorème très général et fondamental de la théorie de la mesure. Si vous n’avez pas encore vu cette théorie, vous en trouverez un très joli avant-goût sur cette page de Denis Choimet à travers une preuve élémentaire du théorème de convergence dominée dans le cadre des fonctions continues par morceaux sur un segment. Vous y apprendrez aussi la différence entre élémentaire et facile (un grand classique en maths !).