Convergence uniforme et contre-exemples : contrôle de maths en MP

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Voici un contrôle de maths en MP sur le thème « convergence uniforme et contre-exemples », avec son barème et un corrigé détaillé.

Ce devoir de deux heures évalue les modes de convergence des suites et séries de fonctions, au programme du premier semestre de MP. Vous étudierez d’abord une suite dont la bosse glisse vers 1, afin de distinguer convergence simple et convergence uniforme à l’aide de la norme infinie. Ensuite, un vrai/faux exige des contre-exemples précis, puis des fonctions en tente montrent pourquoi l’intégrale ne passe pas toujours à la limite. Enfin, deux séries de fonctions mobilisent la convergence normale ainsi que les théorèmes de continuité, de dérivation et d’intégration terme à terme. Ce contrôle se place juste après le chapitre, avant les séries entières.

Ce qu’évalue le contrôle : convergence uniforme et contre-exemples

L’essentiel du sujet

  • NiveauMP
  • Durée2 heures
  • Calculatriceinterdite
  • Barèmesur 20

Chapitre : Convergence des suites et séries de fonctions (5 exercices)

Ce que ce devoir vérifie :

  • Étudier la convergence simple puis uniforme d’une suite de fonctions grâce à la norme infinie
  • Réfuter un énoncé faux sur les modes de convergence par un contre-exemple vérifié
  • Montrer qu’une convergence simple ne permet pas d’échanger limite et intégrale
  • Établir une convergence normale puis justifier la continuité, la dérivation et l’intégration terme à terme
  • Étudier une somme de série de fonctions sur un intervalle ouvert, avec limites et équivalent aux bornes

Avant de commencer le devoir

Pour chaque suite, déterminez d’abord la limite simple, puis calculez ou majorez la norme infinie de l’écart : c’est le seul critère fiable. Quand la convergence uniforme échoue, cherchez une suite de points \(x_n\) qui garde l’écart loin de 0. Dans le vrai/faux, un contre-exemple doit vérifier toutes les hypothèses de l’énoncé, donc contrôlez-les une par une. Pour une série, citez enfin le théorème utilisé et l’intervalle exact sur lequel vous l’appliquez.

Le sujet du contrôle : convergence uniforme et contre-exemples

Exercice 1 – Une bosse qui glisse vers 1 (3 points)

Pour \(n \geq 1\) et \(x \in [0\,;1]\), on pose \(f_n(x) = x^n(1 – x^n)\). La figure représente \(f_1\), \(f_2\), \(f_5\) et \(f_{20}\).

Courbes des fonctions f1, f2, f5 et f20 sur l intervalle de 0 à 1, chacune en forme de bosse qui se décale vers 1
  1. Pour chaque \(x\) fixé, étudier le comportement de \(f_n(x)\) quand \(n\) grandit. (0,5 point)
  2. Calculer \(\|f_n\|_\infty\) en posant \(t = x^n\), puis dire si la convergence est uniforme sur \([0\,;1]\). (1,5 point)
  3. Soit \(a \in [0\,;1[\). Prouver que la convergence est uniforme sur \([0\,;a]\). (1 point)

Exercice 2 – Vrai ou faux avec contre-exemples (4 points)

Dire si chaque affirmation est vraie ou fausse. Une affirmation vraie se démontre ; une affirmation fausse se réfute par un contre-exemple dont toutes les hypothèses sont vérifiées.

  1. Une limite simple sur \([0\,;1]\) d’une suite de fonctions continues est continue. (1 point)
  2. Si chaque \(f_n\) est bornée sur \(\mathbb{R}\) et si \((f_n)\) converge uniformément vers \(f\) sur \(\mathbb{R}\), alors \(f\) est bornée. (1 point)
  3. Une limite uniforme sur \([0\,;1]\) d’une suite de fonctions dérivables est dérivable. On pourra examiner \(x \mapsto \sqrt{\left(x – \frac{1}{2}\right)^2 + \frac{1}{n}}\). (1 point)
  4. Lorsque \((f_n)\) converge uniformément vers \(f\) sur \(\mathbb{R}\), la suite \((f_n^2)\) converge aussi uniformément vers \(f^2\) sur \(\mathbb{R}\). (1 point)

Exercice 3 – Des tentes de masse constante (3 points)

Pour \(n \geq 3\), la fonction \(h_n\) est continue sur \([0\,;1]\), nulle sur \(\left[0\,;\frac{1}{n}\right]\) et sur \(\left[\frac{3}{n}\,;1\right]\), affine sur \(\left[\frac{1}{n}\,;\frac{2}{n}\right]\) et sur \(\left[\frac{2}{n}\,;\frac{3}{n}\right]\), avec \(h_n\left(\frac{2}{n}\right) = n\). Les fonctions \(h_3\), \(h_4\) et \(h_6\) sont tracées ci-dessous.

Trois fonctions en tente h3, h4 et h6 sur l intervalle de 0 à 1, de sommets 3, 4 et 6 placés en 2/3, 1/2 et 1/3
  1. Montrer que \((h_n)\) converge simplement vers la fonction nulle sur \([0\,;1]\). (1 point)
  2. Calculer l’intégrale \(I_n\) de \(h_n\) sur \([0\,;1]\), ainsi que \(\|h_n\|_\infty\). Que peut-on en conclure sur la convergence uniforme, puis sur l’échange de la limite et de l’intégrale ? (1 point)
  3. Soit \(a \in \left]0\,;1\right]\). Montrer que la convergence est uniforme sur \([a\,;1]\). (0,5 point)
  4. Soit \(\varphi\) continue sur \([0\,;1]\). Montrer que \(\int_0^1 h_n(x)\varphi(x)\,\mathrm{d}x\) tend vers \(\varphi(0)\). (0,5 point)

Exercice 4 – Une série de sinus aux fréquences impaires (4 points)

On ne garde ici que les fréquences impaires : pour \(k \in \mathbb{N}\) et \(t\) réel, \(v_k(t) = \frac{\sin\left((2k+1)t\right)}{(2k+1)^3}\), puis \(F(t) = \sum_{k=0}^{+\infty} v_k(t)\). On rappelle aussi les valeurs \(\zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}\) et \(\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}\).

  1. Établir la convergence normale de \(\sum v_k\) sur \(\mathbb{R}\). Montrer ensuite que \(F\) est continue, impaire, \(2\pi\)-périodique, et que \(F(\pi – t) = F(t)\) pour tout réel \(t\). (1 point)
  2. Prouver que \(F\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\), puis écrire \(F^{\prime}(t)\) sous forme de série. (1 point)
  3. Après avoir justifié l’échange entre somme et intégrale sur \([0\,;\pi]\), calculer \(\int_0^{\pi} F(t)\,\mathrm{d}t\). On exprimera d’abord \(\sum_{k \geq 0} \frac{1}{(2k+1)^4}\) à l’aide de \(\zeta(4)\). (1,5 point)
  4. En déduire, de la même manière, un équivalent simple de \(F(t)\) lorsque \(t\) tend vers 0. (0,5 point)

Exercice 5 – Problème : une série d’exponentielles sur ]0 ; +∞[ (6 points)

Pour \(n \geq 1\) et \(x\) réel, on pose \(u_n(x) = \frac{\mathrm{e}^{-nx}}{n}\), puis \(S_N = \sum_{n=1}^{N} u_n\) et, lorsque la série converge, \(S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x)\). Les sommes partielles \(S_1\), \(S_2\) et \(S_5\) sont représentées sur \(]0\,;3]\).

Graphes des sommes partielles S1, S2 et S5 sur l intervalle de 0 à 3, décroissantes, valant 1, 1,5 et environ 2,28 en 0

Partie A : modes de convergence

  1. Déterminer l’ensemble \(D\) des réels \(x\) pour lesquels la série \(\sum u_n(x)\) converge. (1 point)
  2. Soit \(a > 0\). Montrer que la série converge normalement sur \([a\,;+\infty[\), mais pas sur \(]0\,;+\infty[\). (1 point)
  3. Pour \(x > 0\), on note \(R_n(x) = S(x) – S_n(x)\). Minorer \(R_n\left(\frac{1}{n}\right)\) en ne gardant que les termes d’indice \(n+1\) à \(2n\). Ainsi, la série converge-t-elle uniformément sur \(]0\,;+\infty[\) ? (1 point)

Partie B : étude de la somme

  1. Prouver que \(S\) est de classe \(C^1\) sur \(]0\,;+\infty[\), puis que \(S^{\prime}(x) = -\frac{1}{\mathrm{e}^x – 1}\). (1 point)
  2. Établir que \(S\) tend vers 0 en \(+\infty\), puis en déduire que \(S(x) = -\ln\left(1 – \mathrm{e}^{-x}\right)\) pour tout \(x > 0\). (1 point)
  3. Montrer que \(S(x) \sim -\ln x\) lorsque \(x\) tend vers 0 par valeurs positives. (0,5 point)
  4. Sur la figure, chaque \(S_N\) admet une limite finie en 0. Calculer cette limite, puis expliquer pourquoi ce constat ne contredit pas la question 6. (0,5 point)

Voir le corrigé du contrôle : convergence uniforme et contre-exemples (MP)

Réviser convergence uniforme et contre-exemples avant le contrôle

Si un exercice vous a bloqué, relisez le cours convergence des suites et séries de fonctions ; entraînez-vous sur les exercices convergence des suites et séries de fonctions avant de retenter le sujet.

La page contrôles de maths en MP regroupe les 25 sujets de l’année, et la page maths post-bac permet de changer d’année.

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