QCM : Convergence uniforme et normale en maths spé (MP)

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Ce QCM uniforme MP passe en revue les modes de convergence des suites et séries de fonctions. Les douze questions commencent par la limite simple et le calcul d’une norme infinie, puis testent les conséquences de la convergence uniforme : continuité de la limite, convergence locale, double limite, intégration sur un segment et dérivation. La seconde moitié traite les séries : convergence normale, convergence uniforme des restes, dérivation terme à terme et théorème de Weierstrass.

Réponds d’abord sans regarder le cours, en écrivant pour chaque question l’hypothèse exacte que tu utilises. Lis ensuite les explications : elles justifient la bonne réponse, puis montrent quelle hypothèse oubliée ou quelle interversion abusive conduit à chaque piège. Les contre-exemples proposés sont à retenir pour les oraux.

Les 12 questions

Question 1

On pose \(f_n(x)=n\sin\!\big(\tfrac{x}{n}\big)\) pour \(x\in\mathbb{R}\). Quelle est la limite simple de \((f_n)\) ?

  1. \(x\mapsto 0\)
  2. \(x\mapsto\sin x\)
  3. \(x\mapsto x\)
  4. \(x\mapsto 1\)

Réponse C.

Pour \(x\) fixé, \(\tfrac{x}{n}\) tend vers 0 et \(\sin u\sim u\) en 0. Ainsi \(n\sin(x/n)\sim n\cdot\tfrac{x}{n}=x\). Le piège 0 voit seulement que le sinus tend vers 0, en oubliant le facteur \(n\). Quant à la limite 1, elle vient de la limite usuelle \(\tfrac{\sin u}{u}\to 1\), mal recopiée.

Question 2

On pose \(f_n(x)=\dfrac{x}{n+x^2}\) sur \([0,+\infty[\). Que vaut \(\|f_n\|_\infty\) ?

  1. \(\dfrac{1}{n+1}\)
  2. \(\dfrac{1}{2n}\)
  3. \(\dfrac{1}{n}\)
  4. \(\dfrac{1}{2\sqrt{n}}\)

Réponse D.

La dérivée a le signe de \(n-x^2\), donc \(f_n\) est maximale en \(\sqrt n\), où elle vaut \(\tfrac{\sqrt n}{2n}=\tfrac{1}{2\sqrt n}\). Par conséquent, la convergence vers 0 est uniforme. Le piège \(\tfrac{1}{n+1}\) évalue simplement en \(x=1\), qui n’est pas le point du maximum. La réponse \(\tfrac{1}{2n}\) oublie la racine carrée.

Question 3

Pourquoi la suite \(g_n(x)=\arctan(nx)\) ne converge-t-elle pas uniformément sur \(\mathbb{R}\) ?

  1. La fonction arctangente n’est pas bornée
  2. Sa limite simple est discontinue en 0, alors que chaque \(g_n\) est continue
  3. La limite simple n’existe pas en 0
  4. Les fonctions \(g_n\) ne sont pas lipschitziennes

Réponse B.

La limite simple vaut \(\tfrac{\pi}{2}\) pour \(x>0\), 0 en 0 et \(-\tfrac{\pi}{2}\) pour \(x<0\). Or une limite uniforme de fonctions continues est continue. Ainsi la convergence ne peut pas être uniforme sur \(\mathbb{R}\). Le piège « non bornée » est faux, puisque arctangente reste entre \(-\tfrac\pi2\) et \(\tfrac\pi2\). De plus, \(g_n(0)=0\) pour tout \(n\).

Question 4

Toujours pour \(g_n(x)=\arctan(nx)\), sur quelles parties la convergence est-elle uniforme ?

  1. Sur tout intervalle \([a,+\infty[\) avec \(a>0\)
  2. Sur la demi-droite ouverte \(]0,+\infty[\) tout entière
  3. Sur la demi-droite fermée \([0,+\infty[\) tout entière
  4. Sur aucun intervalle non trivial

Réponse A.

Sur \([a,+\infty[\), l’écart \(\tfrac\pi2-\arctan(nx)\) est décroissant en \(x\), donc majoré par \(\tfrac\pi2-\arctan(na)\), qui tend vers 0. Cependant, sur \(]0,+\infty[\), le point \(x=\tfrac1n\) donne un écart \(\tfrac\pi4\) : la convergence n’y est pas uniforme. On parle donc de convergence uniforme locale, à distance de 0.

Question 5

Les \(f_n\) sont définies sur \(]0,1]\) et admettent chacune une limite finie \(\ell_n\) en 0. Quelle hypothèse garantit que \(\lim_n \ell_n\) existe et égale la limite en 0 de \(\lim_n f_n\) ?

  1. La convergence simple de \((f_n)\) sur \(]0,1]\)
  2. Le fait que chaque \(f_n\) soit bornée
  3. La convergence uniforme sur tout \([a,1]\) avec \(a>0\)
  4. La convergence uniforme de \((f_n)\) au voisinage de 0

Réponse D.

C’est le théorème de la double limite : il exige la convergence uniforme sur un voisinage du point étudié. En effet, \(x^{1/n}\) sur \(]0,1]\) donne \(\ell_n=0\), alors que la limite simple vaut 1 partout. La convergence simple ne suffit donc pas. Le piège « sur tout \([a,1]\) » exclut justement le voisinage de 0, là où tout se joue.

Question 6

On pose \(h_n(x)=n^2x^n(1-x)\) sur \([0,1]\). Que vaut \(\lim_n\int_0^1 h_n(x)\,\mathrm{d}x\) ?

  1. \(0\)
  2. \(+\infty\)
  3. \(1\)
  4. \(\tfrac12\)

Réponse C.

On calcule \(\int_0^1 x^n(1-x)\,\mathrm{d}x=\tfrac{1}{n+1}-\tfrac{1}{n+2}\). Ainsi l’intégrale vaut \(\tfrac{n^2}{(n+1)(n+2)}\), qui tend vers 1. Pourtant la limite simple est nulle sur \([0,1]\). Le piège 0 intervertit limite et intégrale sans justification : la convergence n’est pas uniforme ici, car \(\|h_n\|_\infty\) tend vers \(+\infty\).

Question 7

La suite \(k_n(x)=\sqrt{x^2+\tfrac{1}{n^2}}\) converge uniformément vers \(|x|\) sur \(\mathbb{R}\). Que montre cet exemple ?

  1. La convergence uniforme des \(k_n\) suffit à dériver la limite
  2. La suite des dérivées \(k_n^{\prime}\) converge uniformément sur \(\mathbb{R}\)
  3. La limite d’une suite de fonctions \(C^1\) est toujours \(C^1\)
  4. Une limite uniforme de fonctions \(C^1\) peut ne pas être dérivable

Réponse D.

L’écart \(\sqrt{x^2+a^2}-|x|\) est maximal en 0, où il vaut \(a=\tfrac1n\) : la convergence est donc uniforme. Cependant \(|x|\) n’est pas dérivable en 0. Pour dériver une limite, il faut la convergence uniforme des dérivées. Or \(k_n^{\prime}(x)=\tfrac{x}{\sqrt{x^2+1/n^2}}\) tend vers le signe de \(x\), qui est discontinu.

Question 8

Laquelle de ces séries de fonctions converge normalement sur \(\mathbb{R}\) ?

  1. \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 1}\frac{\sin(nx)}{n}\)
  2. \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 0}\frac{\cos(nx)}{n^2+1}\)
  3. \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 0}\frac{x^n}{n!}\)
  4. \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 1}\frac{(-1)^n}{n+x^2}\)

Réponse B.

On a \(\big|\tfrac{\cos(nx)}{n^2+1}\big|\leqslant\tfrac{1}{n^2+1}\), terme général d’une série convergente : la convergence est normale. En revanche, la série exponentielle ne converge normalement que sur les segments, car \(\sup|x^n|/n!\) est infini sur \(\mathbb{R}\). Pour les deux autres, la borne uniforme du terme général est de l’ordre de \(\tfrac1n\), dont la série diverge.

Question 9

Quel est le mode de convergence de \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 1}\frac{(-1)^n}{n+x^2}\) sur \(\mathbb{R}\) ?

  1. Normale, donc uniforme
  2. Uniforme, mais pas normale
  3. Simple, mais pas uniforme
  4. Ni simple ni uniforme

Réponse B.

Pour \(x\) fixé, le critère des séries alternées s’applique, et le reste d’ordre \(n\) est majoré par \(\tfrac{1}{n+1+x^2}\leqslant\tfrac{1}{n+1}\). Ainsi les restes tendent uniformément vers 0. Cependant le sup du terme général vaut \(\tfrac1n\), atteint en \(x=0\), et la série harmonique diverge. Le piège « normale » confond donc ces deux modes.

Question 10

On pose \(S(x)=\displaystyle\sum_{n\geqslant 1}\frac{e^{-nx}}{n^2}\). Quel argument justifie la dérivation terme à terme sur \(]0,+\infty[\) ?

  1. \(\sum \tfrac{e^{-nx}}{n}\) converge normalement sur tout \([a,+\infty[\), \(a>0\)
  2. \(\sum \tfrac{e^{-nx}}{n}\) converge normalement sur \(]0,+\infty[\)
  3. \(S\) converge normalement sur \([0,+\infty[\), cela suffit
  4. Chaque terme est de classe \(C^\infty\), cela suffit

Réponse A.

La série dérivée a pour terme \(-\tfrac{e^{-nx}}{n}\). Sur \([a,+\infty[\), il est majoré par \(\tfrac{e^{-na}}{n}\), terme d’une série convergente. Par conséquent, \(S\) est \(C^1\) sur chaque \([a,+\infty[\), donc sur \(]0,+\infty[\). Le piège sur \(]0,+\infty[\) entier est faux : le sup vaut \(\tfrac1n\). La convergence de \(S\) seule ne contrôle pas les dérivées.

Question 11

Pour \(x\in\,]-1,1[\), que vaut \(\displaystyle\sum_{n\geqslant 1}n\,x^{n-1}\) ?

  1. \(\dfrac{1}{(1-x)^2}\)
  2. \(\dfrac{1}{1-x}\)
  3. \(\dfrac{x}{(1-x)^2}\)
  4. \(-\dfrac{1}{(1-x)^2}\)

Réponse A.

La série géométrique \(\sum x^n\) vaut \(\tfrac{1}{1-x}\), et la série dérivée converge normalement sur tout \([-r,r]\) avec \(r<1\). On peut donc dériver terme à terme : on obtient \(\tfrac{1}{(1-x)^2}\). Le piège \(\tfrac{x}{(1-x)^2}\) correspond à \(\sum nx^n\), décalée d’un rang. Le signe moins oublie que la dérivée de \(1-x\) vaut \(-1\).

Question 12

Une suite de fonctions polynomiales \((P_n)\) converge uniformément sur \(\mathbb{R}\) tout entier vers \(f\). Que peut-on dire de \(f\) ?

  1. \(f\) peut être n’importe quelle fonction continue
  2. \(f\) peut être n’importe quelle fonction \(C^\infty\)
  3. \(f\) est elle-même polynomiale
  4. \(f\) est forcément bornée sur \(\mathbb{R}\)

Réponse C.

Pour \(n\) et \(m\) assez grands, \(P_n-P_m\) est bornée sur \(\mathbb{R}\), donc constante. Ainsi \(P_n=P_N+c_n\), où \((c_n)\) converge, et la limite est un polynôme. Le piège « n’importe quelle fonction continue » applique le théorème de Weierstrass, qui ne vaut que sur un segment. Enfin, \(P_n=X\) pour tout \(n\) montre que \(f\) n’est pas forcément bornée.

Pour aller plus loin

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