Convergence simple et uniforme en L2 de maths : exercices corrigés

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Ces exercices convergence L2 suivent la progression du cours sur la convergence simple et uniforme. La première série fait calculer des limites simples et des normes infinies, puis vérifier une convergence normale. Ensuite, la deuxième série demande de justifier une intégration ou une dérivation terme à terme, d’utiliser le critère de Cauchy uniforme et de traiter la continuité uniforme.

Enfin, la dernière série rassemble des contre-exemples et une approximation affine par morceaux qui mène au théorème de Weierstrass. Un problème complet étudie ensuite une fonction définie par une série, de sa continuité jusqu’à son équivalent en 0. Nous conseillons de commencer chaque exercice par la limite simple, puis d’étudier la norme infinie de l’écart.

Pour démarrer

Exercice 1 – Limite simple d’un quotient de puissances

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\geqslant 0\), on pose \(f_n(x)=\dfrac{x^n}{1+x^n}\).

  1. Déterminer la limite simple \(f\) de \((f_n)\) sur \([0,+\infty[\).
  2. Y a-t-il convergence uniforme sur toute la demi-droite \([0,+\infty[\) ?
  3. Soit \(a\in\,]0,1[\). Montrer que la convergence est uniforme sur \([0,a]\).
  4. Soit \(b>1\). Montrer que la convergence est uniforme sur \([b,+\infty[\).

Exercice 2 – Une norme infinie qui tend vers zéro

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\geqslant 0\), on pose \(g_n(x)=x^2e^{-nx}\).

  1. Calculer \(\|g_n\|_\infty\) sur \([0,+\infty[\).
  2. En déduire que \((g_n)\) converge uniformément sur \([0,+\infty[\) vers une fonction à préciser.
  3. Montrer que la série \(\sum g_n\) converge normalement sur \([0,+\infty[\).

Exercice 3 – Translations et carrés

  1. Ensuite, prouver que la suite \(x\mapsto\sin\left(x+\frac{1}{n}\right)\) converge uniformément sur \(\mathbb{R}\) vers la fonction sinus.
  2. Établir que la suite \(x\mapsto\left(x+\frac{1}{n}\right)^2\) converge simplement sur \(\mathbb{R}\), mais pas uniformément.
  3. De plus, vérifier que cette seconde suite converge uniformément sur tout segment \([-A,A]\), avec \(A>0\).

Exercice 4 – Deux séries normalement convergentes

  1. Justifier que la série \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{\cos(nx)}{n^2+1}\) converge normalement sur \(\mathbb{R}\). Que peut-on dire de sa somme ?
  2. Même question pour \(\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{(\sin x)^n}{n^2}\).
  3. Calculer \(\|u_n\|_\infty\) pour \(u_n(x)=\dfrac{\cos(nx)}{n^2+1}\), en précisant un point où cette borne est atteinte.

Exercice 5 – Racine carrée et exponentielle face à la continuité uniforme

  1. Par ailleurs, montrer que, pour \(0\leqslant y\leqslant x\), on a \(\sqrt{x}-\sqrt{y}\leqslant\sqrt{x-y}\).
  2. En déduire que la fonction racine carrée est uniformément continue sur \([0,+\infty[\).
  3. À l’inverse, prouver que l’exponentielle n’est pas uniformément continue sur \(\mathbb{R}\). On comparera ses valeurs en \(n\) et en \(n+\frac{1}{n}\), en utilisant \(e^t-1\geqslant t\).

Exercice 6 – Arctangentes de plus en plus raides

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\in\mathbb{R}\), on pose \(\varphi_n(x)=\arctan(nx)\). La figure montre quelques-unes de ces fonctions.

Courbes des fonctions arctangente de nx qui se rapprochent d'une fonction en escalier
  1. Déterminer la limite simple \(\varphi\) de \((\varphi_n)\) sur \(\mathbb{R}\).
  2. Calculer \(\varphi_n\left(\frac{1}{n}\right)\) et en déduire que la convergence n’est pas uniforme sur \(]0,+\infty[\).
  3. Soit \(a>0\). En utilisant l’égalité \(\arctan t+\arctan\frac{1}{t}=\frac{\pi}{2}\) pour \(t>0\), montrer que la convergence est uniforme sur \([a,+\infty[\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – Sommes partielles de l’exponentielle

Pour \(n\in\mathbb{N}\) et \(x\in\mathbb{R}\), on pose \(E_n(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\). On rappelle que \(E_n(x)\) tend vers \(e^x\) pour tout réel \(x\).

  1. Soit \(A>0\). Prouver que, pour \(p>n\) et \(|x|\leqslant A\), on a \(|E_p(x)-E_n(x)|\leqslant\sum_{k>n}\dfrac{A^k}{k!}\).
  2. En déduire, par le critère de Cauchy uniforme, que \((E_n)\) converge uniformément sur \([-A,A]\).
  3. Ensuite, prouver que la convergence n’est pas uniforme sur \(\mathbb{R}\).

Exercice 8 – Des intégrales qui ne tendent pas vers zéro

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\in[0,1]\), on pose \(k_n(x)=nx\,e^{-nx^2}\).

  1. Déterminer la limite simple de \((k_n)\) sur \([0,1]\).
  2. Calculer \(\int_0^1k_n(x)\,\mathrm{d}x\) et sa limite. Que peut-on en conclure ?
  3. Enfin, retrouver ce résultat en calculant \(\|k_n\|_\infty\).

Exercice 9 – Dérivation d’une série d’exponentielles

On pose, lorsque cela a un sens, \(S(x)=\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{e^{-nx}}{n^2}\). On admet que \(\sum_{n\geqslant 1}\frac{y^n}{n}=-\ln(1-y)\) pour \(y\in[0,1[\).

  1. Établir que \(S\) est définie et continue sur \([0,+\infty[\).
  2. Soit \(a>0\). Montrer que la série des dérivées converge normalement sur \([a,+\infty[\).
  3. En déduire que \(S\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(]0,+\infty[\) et exprimer \(S^{\prime}(x)\) à l’aide d’un logarithme.

Exercice 10 – Une série uniforme mais pas normale

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\geqslant 0\), on pose \(v_n(x)=(-1)^n\dfrac{e^{-nx}}{n}\). On admet que \(\sum_{n\geqslant 1}\frac{(-1)^ny^n}{n}=-\ln(1+y)\) pour \(y\in[0,1[\).

  1. De plus, vérifier que \(\sum v_n\) converge uniformément sur \([0,+\infty[\).
  2. Prouver ensuite qu’elle ne converge pas normalement sur \([0,+\infty[\), mais qu’elle converge normalement sur \([a,+\infty[\) pour tout \(a>0\).
  3. Exprimer la somme \(V(x)\) pour \(x>0\), puis en déduire la somme \(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots\) de la série harmonique alternée.

Exercice 11 – Double limite en l’infini

Pour \(n\geqslant 1\) et \(x\geqslant 0\), on pose \(w_n(x)=e^{-x/n}\).

  1. Déterminer la limite simple de \((w_n)\) sur \([0,+\infty[\).
  2. Calculer, pour chaque \(n\), la limite de \(w_n(x)\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\). En déduire, à l’aide du théorème de la double limite, que la convergence n’est pas uniforme sur \([0,+\infty[\).
  3. Soit \(A>0\). Prouver que \(0\leqslant 1-w_n(x)\leqslant\frac{A}{n}\) pour \(x\in[0,A]\) et conclure.

Exercice 12 – Une fonction dont tous les moments sont nuls

Soit \(f\) une fonction continue sur \([0,1]\) telle que \(\int_0^1f(x)\,x^k\,\mathrm{d}x=0\) pour tout entier \(k\geqslant 0\).

  1. Justifier que \(\int_0^1f(x)P(x)\,\mathrm{d}x=0\) pour toute fonction polynomiale \(P\).
  2. À l’aide du théorème de Weierstrass, montrer que \(\int_0^1f(x)^2\,\mathrm{d}x=0\).
  3. Conclure que \(f\) est la fonction nulle.

Exercice 13 – Heine et la fonction sinus de l’inverse

  1. Soit \(g\) définie sur \(]0,1]\) par \(g(x)=x\sin\frac{1}{x}\). Montrer que \(g\) se prolonge par continuité en \(0\), puis qu’elle est uniformément continue sur \(]0,1]\).
  2. On pose ensuite \(h(x)=\sin\frac{1}{x}\) sur \(]0,1]\). À l’aide des points \(x_n=\frac{1}{n\pi}\) et \(y_n=\frac{2}{(2n+1)\pi}\), montrer que \(h\) n’est pas uniformément continue.
  3. Enfin, expliquer pourquoi le théorème de Heine ne s’applique pas à \(h\).

Exercice 14 – Une série d’arctangentes

On pose \(T(x)=\sum_{n\geqslant 1}\arctan\left(\dfrac{x}{n^2}\right)\).

  1. Par ailleurs, montrer que \(T\) est définie et continue sur \(\mathbb{R}\). On rappelle que \(|\arctan t|\leqslant|t|\) pour tout réel \(t\).
  2. Montrer que \(T\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \(\mathbb{R}\).
  3. En déduire que \(T\) est strictement croissante, puis calculer \(T^{\prime}(0)\), sachant que la somme des inverses des carrés des entiers non nuls vaut \(\frac{\pi^2}{6}\).

Pour approfondir

Exercice 15 – Trois séries sur le segment unité

Pour \(n\in\mathbb{N}\) et \(x\in[0,1]\), on considère \(a_n(x)=x^n(1-x)\), \(b_n(x)=(-1)^nx^n(1-x)\) et \(c_n(x)=x^n(1-x)^2\).

  1. Calculer \(\|a_n\|_\infty\) et \(\|c_n\|_\infty\) pour \(n\geqslant 1\).
  2. Ensuite, calculer les sommes partielles de \(\sum a_n\), puis la somme. Cette série converge-t-elle uniformément sur le segment ?
  3. Ensuite, prouver que \(\sum b_n\) converge uniformément sur \([0,1]\), mais pas normalement.
  4. Établir que \(\sum c_n\) converge normalement sur \([0,1]\).

La figure représente quelques sommes partielles de \(\sum a_n\).

Sommes partielles de la série des x puissance n fois 1 moins x sur le segment unité

Exercice 16 – Quand la dérivée ne suit pas

  1. De plus, vérifier que \(\sigma_n(x)=\sqrt{x^2+\frac{1}{n^2}}\) converge uniformément sur \(\mathbb{R}\) vers \(x\mapsto|x|\). Que dire de la dérivabilité des \(\sigma_n\) et de la limite ?
  2. Justifier que \(\tau_n(x)=\frac{\sin(nx)}{n}\) converge uniformément vers \(0\) sur \(\mathbb{R}\), mais que \(\tau_n^{\prime}(0)\) ne tend pas vers \(0\).
  3. Par ailleurs, montrer que \((\tau_n^{\prime}(\pi))\) diverge.
  4. Expliquer, pour chacun des deux exemples, quelle hypothèse du théorème de dérivation fait défaut.

Exercice 17 – Des fonctions affines par morceaux pour approcher

Soit \(f\) continue sur \([0,1]\) et \(n\geqslant 1\). On note \(x_k=\frac{k}{n}\) pour \(0\leqslant k\leqslant n\), et \(L_n\) la fonction continue, affine sur chaque \([x_k,x_{k+1}]\), qui coïncide avec \(f\) aux points \(x_k\).

  1. Pour \(x\in[x_k,x_{k+1}]\), vérifier que \(L_n(x)\) est compris entre \(f(x_k)\) et \(f(x_{k+1})\). À l’aide du théorème de Heine, en déduire que \(\|f-L_n\|_\infty\) tend vers \(0\).
  2. Dans le cas où \(f\) est la racine carrée, établir la majoration explicite \(\|f-L_n\|_\infty\leqslant\frac{1}{\sqrt{n}}\). On pourra utiliser l’inégalité démontrée à l’exercice 5.
  3. On note \(s_k\) la pente de \(L_n\) sur \([x_k,x_{k+1}]\). Prouver que \(L_n(x)-\sum_{k=1}^{n-1}\frac{s_k-s_{k-1}}{2}\,|x-x_k|\) est une fonction affine sur \([0,1]\).
  4. On suppose connue une suite de polynômes \((Q_m)\) qui converge uniformément vers la valeur absolue sur \([-1,1]\). En déduire le théorème de Weierstrass sur \([0,1]\).

Exercice 18 – Problème d’une série d’inverses de sinus hyperboliques

On pose, lorsque cela a un sens, \(F(x)=\sum_{n\geqslant 1}\dfrac{1}{\mathrm{sh}(nx)}\). On admet que \(u\mapsto\ln\left(\mathrm{th}\frac{u}{2}\right)\) est une primitive de \(u\mapsto\frac{1}{\mathrm{sh}\,u}\) sur \(]0,+\infty[\).

  1. Pour \(x>0\) et \(n\geqslant 1\), établir \(0<\frac{1}{\mathrm{sh}(nx)}\leqslant\frac{2e^{-nx}}{1-e^{-2x}}\). En déduire que \(F\) est définie sur \(\mathbb{R}^*\) et impaire.
  2. Prouver la convergence normale sur \([a,+\infty[\) pour tout \(a>0\), puis la continuité de \(F\) sur \(\mathbb{R}^*\).
  3. Établir que la convergence n’est pas uniforme sur \(]0,+\infty[\).
  4. Prouver que \(F\) est de classe \(\mathcal{C}^1\) et strictement décroissante sur \(]0,+\infty[\).
  5. Déterminer la limite de \(e^xF(x)\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\).
  6. Par comparaison avec une intégrale, établir l’encadrement \(J(x)\leqslant F(x)\leqslant J(x)+\frac{1}{\mathrm{sh}\,x}\) pour \(x>0\), où \(J(x)=-\frac{1}{x}\ln\left(\mathrm{th}\frac{x}{2}\right)\). En déduire un équivalent de \(F\) en \(0^+\).

Pour aller plus loin

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