Analyse

Interversion

Tout le programme de MP, PSI, PC en Analyse tourne autour des interversions :
lim=lim\displaystyle \lim\int =\int\lim, =\displaystyle \int\sum=\sum\int et lim=lim\displaystyle \lim\sum=\sum\lim.

Limite-Intégrale

  1. Cas d’un segment [a,b]\displaystyle [a,b] (Convergence uniforme) : Si (fn)\displaystyle (f_n) CVU sur [a,b]\displaystyle [a,b], alors limnabfn(x)dx=ablimnfn(x)dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\int_a^b f_n(x)dx =\int_a^b\lim_{n\to\infty}f_n(x)dx.
  2. Cas d’un intervalle quelconque I\displaystyle I (Convergence dominée) :

Si (fn)\displaystyle (f_n) CVS sur I\displaystyle I et pour tout n\displaystyle n, fn(x)g(x)\displaystyle |f_n(x)|\le|g(x)| sur I\displaystyle I avec Ig(x)dx<\displaystyle \int_I|g(x)|dx<\infty,
alors limnabfn(x)dx=ablimnfn(x)dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\int_a^b f_n(x)dx =\int_a^b\lim_{n\to\infty}f_n(x)dx.

Intégrale-Somme

Méthode 1 (1er réflexe)

  1. Convergence normale sur [a,b]\displaystyle [a,b] : Si un<\displaystyle \sum\|u_n\|_\infty<\infty, alors abn0un(x)dx=n0abun(x)dx\displaystyle \int_a^b\sum_{n\ge0} u_n(x)dx=\sum_{n\ge0}\int_a^b u_n(x)dx.
  2. Intégration terme à terme sur I\displaystyle I quelconque : Si Iundx<\displaystyle \sum\int_I|u_n|dx<\infty, alors In0un(x)dx=n0Iun(x)dx\displaystyle \int_I\sum_{n\ge0} u_n(x)dx=\sum_{n\ge0}\int_I u_n(x)dx.

Méthode 2 (Si Méthode 1 ne marche pas)

  1. Si la CVN (qui implique la CVU) n’a pas lieu, on montre que la série un\displaystyle \sum u_n CVU, i.e. que la suite des sommes partielles CVU. Alors : limnabk=0nuk(x)dx=ablimnk=0nuk(x)dx=abk=0uk(x)dx\displaystyle \lim_{n\to\infty}\int_a^b \sum_{k=0}^n u_k(x)dx =\int_a^b\lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n u_k(x)dx=\int_a^b \sum_{k=0}^\infty u_k(x)dx. Comme abk=0n=k=0nab\displaystyle \int_a^b \sum_{k=0}^n =\sum_{k=0}^n\int_a^b (c’est une somme finie), on en déduit que k=0nab\displaystyle \sum_{k=0}^n\int_a^b a une limite et donc que k=0abuk(x)dx=abk=0uk(x)dx\displaystyle \sum_{k=0}^\infty\int_a^b u_k(x)dx=\int_a^b \sum_{k=0}^\infty u_k(x)dx.
    Cas typique : Série de fonctions alternées.

  2. Si Iundx=\displaystyle \sum\int_I|u_n|dx=\infty, on ne peut pas appliquer le thm d’intégration terme à terme. On revient alors aux sommes partielles et on montre que k=0nuk(x)\displaystyle \sum_{k=0}^n u_k(x) CVS vers une fonction intégrable sur I\displaystyle I et est dominée par une fonction intégrable, i.e. pour tout n\displaystyle n, k=0nuk(x)S(x)\displaystyle \left|\sum_{k=0}^n u_k(x)\right|\le S(x) avec IS(x)dx<\displaystyle \int_IS(x)dx<\infty. Alors on peut appliquer le thm de CV dominée et c’est la même chanson que juste avant :
    Ik=0uk(x)dx=Ilimnk=0nuk(x)dx=limnIk=0nuk(x)dx=limnk=0nIuk(x)dx=k=0Iuk(x)dx.\begin{aligned} \int_I \sum_{k=0}^\infty u_k(x)dx & = \int_I\lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n u_k(x)dx\\ & = \lim_{n\to\infty}\int_I \sum_{k=0}^n u_k(x)dx \\ & = \lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n\int_I u_k(x)dx \\ & = \sum_{k=0}^\infty\int_I u_k(x)dx. \\ \end{aligned} Cas typique : Séries géométriques où on peut facilement faire la domination.

Limite-Somme

Si un(x)\displaystyle \sum u_n(x) CVU sur [a,b[\displaystyle [a,b[ (b\displaystyle b fini ou infini) et que limxbun(x)\displaystyle \lim_{x\to b} u_n(x) existe alors limxbn0un(x)=n0limxbun(x)\displaystyle \lim_{x\to b}\sum_{n\ge0} u_n(x)=\sum_{n\ge0} \lim_{x\to b} u_n(x).

Remarque :

  1. Les hypothèses “continues par morceaux” dans les gros théorèmes de convergence dominée et d’ITT sont ad-hoc pour les prépas. Il faut les citer pour jouer le jeu mais passer très vite pour se concentrer sur l’important : CVS, intégralité, domination.
  2. S’il faut établir la continuité d’une intégrale à paramètre ou d’une somme, alors bien sûr les hypothèses de continuité sont très importantes.

Exercices associés

  1. 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}. Lim quand a0\displaystyle a\to0 ? (Série géométrique, Domination somme partielle, non CVU sur [0,1]\displaystyle [0,1])
  2. 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} (Série géométrique, ITT).
  3. Soit θ0mod2π\displaystyle \theta \neq 0 \mod 2\pi. Etablir : 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} (Série géométrique, Domination somme partielle).