Convergence uniforme et normale en maths spé (MP) : exercices corrigés

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Ces 18 exercices entraînent les réflexes attendus en colle sur les suites et séries de fonctions. Les premiers demandent de calculer une norme infinie ou de trouver une suite de points qui ruine la convergence uniforme. Ensuite viennent la convergence normale, les séries alternées, la dérivation terme à terme et l’étude complète d’une somme.

Cette fiche d’exercices convergence MP se termine par des questions plus ouvertes : théorème de Weierstrass, fonctions en escalier et un problème long. Accordez-vous un vrai temps de recherche sur chaque énoncé, puis comparez avec la solution rédigée. Gardez une trace écrite de quelle hypothèse vous avez vérifiée et sur quel ensemble, car c’est précisément ce que le jury contrôle.

Pour démarrer

Exercice 1 – Fonctions x/(x+n) sur un segment et sur la demi-droite

On définit, pour tout entier \(n\geqslant 1\), la fonction \(f_n:x\mapsto\dfrac{x}{x+n}\) sur \([0,+\infty[\).

  1. Préciser vers quelle fonction \((f_n)\) tend point par point.
  2. Soit \(a>0\). Établir l’uniformité de cette convergence sur \([0,a]\).
  3. Évaluer \(f_n(n)\). Y a-t-il convergence uniforme sur toute la demi-droite ?

Exercice 2 – Maximum de x(1-x)^n

Sur \([0,1]\), on considère \(f_n(x)=x(1-x)^n\) et \(g_n(x)=n\,x(1-x)^n\), avec \(n\geqslant 1\).

  1. Vérifier que \(f_n(x)\) et \(g_n(x)\) tendent vers \(0\) pour chaque \(x\in[0,1]\).
  2. Dresser le tableau de variations de \(f_n\), puis calculer \(\|f_n\|_\infty\). Conclure quant à l’uniformité.
  3. Calculer \(\|g_n\|_\infty\) et sa limite. Que dire de \((g_n)\) ?

Exercice 3 – Puissances du sinus

Sur \([0,\pi/2]\), on note \(s_n(x)=(\sin x)^n\) pour \(n\geqslant 1\).

  1. Identifier la limite ponctuelle \(s\) de \((s_n)\) sur \([0,\pi/2]\).
  2. Expliquer, sans calculer de norme, pourquoi l’uniformité échoue sur \([0,\pi/2]\).
  3. Soit \(a\in\,]0,\pi/2[\). Prouver que \(\|s_n\|_{\infty,[0,a]}\to 0\).
  4. Trouver \(x_n\in[0,\pi/2[\) tel que \(s_n(x_n)=1/2\). Qu’en conclure sur \([0,\pi/2[\) ?

Exercice 4 – Deux séries face à la convergence normale

  1. Prouver que \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{\cos(nx)}{n^2+3}\) est normalement convergente sur \(\mathbb{R}\). Quelles propriétés de la somme en découlent ?
  2. Sur \([0,+\infty[\), on note \(v_n(x)=x\,\mathrm{e}^{-nx^2}\) pour \(n\geqslant 1\). Calculer la borne supérieure de \(v_n\), puis expliquer pourquoi \(\sum v_n\) n’est pas normalement convergente sur la demi-droite.
  3. Soit \(a>0\). Établir la convergence normale de \(\sum v_n\) sur \([a,+\infty[\).

Exercice 5 – Intégrer une série trigonométrique

Soit \(S(x)=\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{\sin(nx)}{n^3}\). On admet l’égalité \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{1}{n^4}=\dfrac{\pi^4}{90}\).

  1. Justifier que \(S\) a un sens en tout réel et y est continue.
  2. Pour \(n\geqslant 1\), évaluer \(\int_0^\pi\sin(nx)\,\mathrm{d}x\).
  3. Établir que \(\int_0^\pi S(x)\,\mathrm{d}x=2\sum_{k\geqslant 0}\dfrac{1}{(2k+1)^4}\).
  4. Donner la valeur exacte de cette intégrale.

Exercice 6 – Double limite en 1

Sur \([0,+\infty[\), on étudie \(f_n(x)=\dfrac{x^n}{1+x^n}\), pour \(n\geqslant 1\).

  1. Identifier la limite ponctuelle \(f\) sur \([0,+\infty[\).
  2. Comparer \(\lim_{x\to 1^-}f_n(x)\) et \(\lim_{x\to 1^-}f(x)\). Grâce à l’interversion des limites, prouver que l’uniformité échoue sur \([0,1[\).
  3. Soit \(a\in\,]0,1[\) et \(b>1\). Établir l’uniformité sur \([0,a]\) puis sur \([b,+\infty[\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – n sin(x/n) et convergence locale

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\) réel, soit \(f_n(x)=n\sin\left(\dfrac{x}{n}\right)\).

  1. Établir l’encadrement \(0\leqslant u-\sin u\leqslant\dfrac{u^3}{6}\) pour tout \(u\geqslant 0\). L’inégalité \(1-\cos u\leqslant\dfrac{u^2}{2}\) peut être admise.
  2. Vers quoi \(f_n(x)\) tend-il, à \(x\) fixé ?
  3. Prouver l’uniformité de la convergence sur chaque segment \([-A,A]\).
  4. Évaluer \(f_n(n\pi)\). L’uniformité vaut-elle sur \(\mathbb{R}\) ?

Exercice 8 – Intégrales qui ne passent pas à la limite

Sur \([0,1]\), soit \(h_n(x)=n^2x^n(1-x)\) et \(g_n(x)=n\,x^n(1-x)\), où \(n\geqslant 1\).

  1. Vérifier que les deux suites tendent ponctuellement vers \(0\).
  2. Évaluer \(\int_0^1 h_n(x)\,\mathrm{d}x\) et sa limite. Qu’en conclure sur l’uniformité pour \((h_n)\) ?
  3. Prouver que \(\int_0^1 g_n(x)\,\mathrm{d}x\to 0\).
  4. Calculer \(\|g_n\|_\infty\) et sa limite. Quelle leçon tirer de cet exemple ?

La figure représente quelques fonctions \(h_n\) : leurs pics se déplacent vers \(1\) en grandissant.

Graphes de n carré x puissance n fois un moins x pour plusieurs n avec des pics qui montent près de un

Exercice 9 – Dériver une limite uniforme

  1. Soit \(f_n(x)=x+\dfrac{\sin(n^2x)}{n}\), avec \(n\geqslant 1\) et \(x\) réel. Prouver que \((f_n)\) tend uniformément sur \(\mathbb{R}\) vers une fonction \(f\) que l’on explicitera.
  2. Évaluer \(f_n^{\prime}(0)\). Les dérivées \(f_n^{\prime}\) tendent-elles vers \(f^{\prime}\) point par point ?
  3. Soit maintenant \(k_n(x)=x^2+\dfrac{\sin(nx)}{n^2}\). Contrôler chacune des hypothèses du théorème de dérivation, puis retrouver la dérivée de la limite.
  4. Dire en une phrase ce qui fait défaut à la question 2.

Exercice 10 – Série alternée uniforme mais pas normale

Sur \([0,+\infty[\), soit \(u_n(x)=\dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n+x}}\) pour \(n\geqslant 1\), et \(S=\sum_{n\geqslant 1}u_n\).

  1. Justifier la convergence de \(\sum u_n(x)\) en chaque \(x\geqslant 0\), puis borner \(|R_n(x)|\) par une quantité libre de \(x\).
  2. Qu’en déduire sur l’uniformité, puis sur la continuité de \(S\) ?
  3. Expliquer pourquoi \(\sum u_n\) n’est pas normalement convergente sur la demi-droite.
  4. Calculer \(\lim_{x\to+\infty}S(x)\).
  5. Établir l’encadrement \(-1\leqslant S(0)\leqslant -1+\dfrac{1}{\sqrt 2}\).

Exercice 11 – Somme continue en 0 mais pas dérivable

Soit \(u_n(x)=\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{1+n^2}\) pour \(n\geqslant 0\), et \(S(x)=\sum_{n\geqslant 0}u_n(x)\) quand la série converge.

  1. Décrire l’ensemble \(D\) des réels où \(S\) est définie.
  2. Prouver la continuité de \(S\) sur \(D\).
  3. Établir que \(S\) est \(\mathcal{C}^1\) sur \(]0,+\infty[\), en écrivant \(S^{\prime}(x)\) sous forme de série.
  4. Prouver que \(S^{\prime}(x)\to-\infty\) lorsque \(x\to 0^+\). Pourquoi \(S\) n’est-elle pas dérivable à droite en \(0\) ?
  5. Calculer \(\lim_{x\to+\infty}S(x)\).

La figure trace \(S\) sur \([0,4]\) : la tangente devient verticale à l’origine.

Graphe de la somme de la série des exponentielles divisées par un plus n carré avec tangente verticale en zéro

Exercice 12 – Une somme de classe C infini

Soit \(u_n(x)=\mathrm{e}^{-x\sqrt n}\) pour \(n\geqslant 1\), et \(F=\sum_{n\geqslant 1}u_n\).

  1. Prouver que \(\sum u_n(x)\) converge exactement lorsque \(x>0\), en comparant par exemple \(u_n(x)\) à \(1/n^2\).
  2. Soit \(k\in\mathbb{N}\) et \(a>0\). Établir la convergence de \(\sum_n n^{k/2}\,\mathrm{e}^{-a\sqrt n}\).
  3. Prouver que \(F\) est \(\mathcal{C}^\infty\) sur \(]0,+\infty[\) et écrire \(F^{(k)}(x)\) comme somme de série.
  4. Étudier la monotonie de \(F\) et sa limite en \(+\infty\).
  5. Prouver que \(F(x)\to+\infty\) lorsque \(x\to 0^+\).

Exercice 13 – Moments nuls à partir du rang 5

Soit \(f:[0,1]\to\mathbb{R}\) continue, vérifiant \(\int_0^1 t^k f(t)\,\mathrm{d}t=0\) pour chaque entier \(k\geqslant 5\).

  1. Avec \(g(t)=t^5f(t)\), établir que \(\int_0^1 g(t)P(t)\,\mathrm{d}t=0\) quel que soit le polynôme réel \(P\).
  2. Grâce au théorème de Weierstrass, prouver que \(\int_0^1 g^2=0\).
  3. Conclure : \(f\) est identiquement nulle.

Exercice 14 – Oscillations rapides et fonctions en escalier

Soit \([a,b]\) un segment et \(\lambda>0\). Pour \(f\) continue par morceaux sur \([a,b]\), on note \(I(f,\lambda)=\int_a^b f(t)\sin(\lambda t)\,\mathrm{d}t\) et \(J(f,\lambda)=\int_a^b f(t)\cos(\lambda t)\,\mathrm{d}t\).

  1. Soit \([c,d]\subset[a,b]\) et \(\varphi\) l’indicatrice de \([c,d]\). Établir que \(|I(\varphi,\lambda)|\leqslant 2/\lambda\) et \(|J(\varphi,\lambda)|\leqslant 2/\lambda\).
  2. Étendre la limite nulle de \(I\) et \(J\) en \(+\infty\) à toute fonction \(\varphi\) en escalier.
  3. L’étendre ensuite à toute \(f\) continue par morceaux sur \([a,b]\).
  4. Application : calculer \(\lim_{n\to+\infty}\int_0^1\sqrt t\,\sin^2(nt)\,\mathrm{d}t\).

Exercice 15 – Deux séries géométriques déformées

Sur \([0,1]\), soit \(u_n(x)=x^n(1-x)\) et \(v_n(x)=x^n(1-x)^2\) pour \(n\geqslant 0\).

  1. Calculer la somme \(U\) de \(\sum u_n\) sur \([0,1]\). L’uniformité a-t-elle lieu sur \([0,1]\) ?
  2. Calculer \(\|u_n\|_\infty\) et constater l’absence de convergence normale.
  3. Calculer la somme \(V\) de \(\sum v_n\) sur \([0,1]\) et observer sa continuité.
  4. Établir que \(\|v_n\|_\infty\leqslant\dfrac{4}{(n+2)^2}\). Que peut-on en conclure ?

Pour approfondir

Exercice 16 – Une fonction qui prolonge la série harmonique

Sur \([0,+\infty[\), soit \(u_n(x)=\dfrac{x}{n(n+x)}\) pour \(n\geqslant 1\), et \(f=\sum_{n\geqslant 1}u_n\). On note \(H_p=\sum_{k=1}^p\dfrac1k\).

  1. Établir la convergence normale de \(\sum u_n\) sur chaque \([0,a]\), et son absence sur \([0,+\infty[\).
  2. Vérifier l’identité \(u_n(x)=\dfrac1n-\dfrac{1}{n+x}\). Prouver ensuite que \(f\) est \(\mathcal{C}^1\) et croissante sur \([0,+\infty[\).
  3. Établir la relation \(f(x+1)-f(x)=\dfrac{1}{x+1}\) pour \(x\geqslant 0\), puis l’égalité \(f(p)=H_p\) pour \(p\in\mathbb{N}^*\).
  4. Sachant que \(H_p\sim\ln p\), prouver que \(f(x)\sim\ln x\) en \(+\infty\).
  5. Minorer \(R_N(N)\) et en déduire que l’uniformité échoue sur \([0,+\infty[\).

Exercice 17 – Limites uniformes de polynômes sur R tout entier

Soit \((P_n)\) une suite de polynômes réels et \(f\) une fonction telle que \(\|P_n-f\|_{\infty,\mathbb{R}}\to 0\).

  1. Trouver un rang \(N\) au-delà duquel chaque différence \(P_n-P_m\) est bornée sur \(\mathbb{R}\). Pourquoi est-elle alors constante ?
  2. Prouver que \(f\) est polynomiale.
  3. Soit \(T_n(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\). Prouver que \(\|\exp-T_n\|_{\infty,[0,1]}\to 0\), mais que l’uniformité est fausse sur \(\mathbb{R}\).
  4. Prouver qu’aucune suite de polynômes n’approche uniformément le sinus sur \(\mathbb{R}\).

Exercice 18 – Problème d’étude d’une série logarithmique

Soit \(u_n(x)=\dfrac{\mathrm{e}^{-nx}}{n}\) pour \(n\geqslant 1\), et \(S=\sum_{n\geqslant 1}u_n\) sur son domaine.

  1. Prouver que le domaine de \(S\) est \(]0,+\infty[\).
  2. Soit \(a>0\). Établir la convergence normale sur \([a,+\infty[\), puis la continuité de \(S\) sur \(]0,+\infty[\).
  3. Prouver que \(S\) est \(\mathcal{C}^1\) sur \(]0,+\infty[\), avec \(S^{\prime}(x)=-\dfrac{1}{\mathrm{e}^x-1}\).
  4. Calculer \(\lim_{x\to+\infty}S(x)\) par interversion des limites.
  5. Établir que \(S(x)=-\ln\left(1-\mathrm{e}^{-x}\right)\) pour \(x>0\). Évaluer \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{1}{n\,2^n}\) et \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{1}{n\,3^n}\).
  6. Donner un équivalent de \(S\) en \(0^+\).
  7. Par l’absurde, en interversant les limites en \(0\), prouver que l’uniformité échoue sur \(]0,+\infty[\).
  8. Soit \(0<a<b\). Établir l’égalité \(\int_a^b-\ln\left(1-\mathrm{e}^{-x}\right)\mathrm{d}x=\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{\mathrm{e}^{-na}-\mathrm{e}^{-nb}}{n^2}\).

Pour aller plus loin

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