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Int´egration terme ` a terme des s´eries de fonctions

Dans le document ALG`EBRE ET ANALYSE APPROFONDIES II MT242 (Page 20-27)

Chapitre 1. Suites et s´eries de fonctions

1.4. Int´egration terme ` a terme des s´eries de fonctions

nx =ζ(x).

La s´erie d´eriv´ee est donn´ee par

X+∞

n=1

−lnn nx .

Soit a un r´eel >1 ; on voit que la fonction u0n est un multiple de un, donc ku0nku,[a,+∞[= (lnn)kunku,[a,+∞[

et kunk[a,+∞[ a d´ej`a ´et´e calcul´e, donc

Xku0nk[a,+∞[ =Xlnn na

qui est une s´erie convergente. Par suite, la s´erie d´eriv´ee est normalement convergente sur l’intervalle [a,+∞[. Le th´eor`eme1.3.2 montre que la fonctionζ est d´erivable sur chacun des intervalles ]a,+∞[ ; il en r´esulte qu’elle est aussi d´erivable sur ]1,+∞[, et de d´eriv´ee

ζ0(x) =− X+∞

n=1

lnn nx .

Il est tr`es facile de voir que ce calcul se g´en´eralise `a toutes les d´eriv´ees successives, donc ζ est de classe C sur ]1,+∞[. En particulier,

ζ00(x) = X+∞

n=1

(lnn)2 nx

montre que la d´eriv´ee seconde est ≥ 0, donc la fonction ζ est convexe sur l’intervalle ]1,+∞[.

2. Pour tout entier k≥1, on obtient pour tout x∈]−1,1[

1

(1−x)k+1 =

+∞X

n=0

(n+k)(n+k−1). . .(n+ 1)xn

en d´erivant plusieurs fois la s´erie g´eom´etrique et en v´erifiant `a chaque fois que la nouvelle s´erie d´eriv´ee est normalement convergente sur tous les intervalles [−a, a], pour 0< a < 1.

1.4. Int´egration terme `a terme des s´eries de fonctions

Les r´esultats sur la convergence uniforme des suites donnent imm´ediatement : Proposition 1.4.1. Si la s´erie de fonctions P

un() est normalement convergente sur [a, b] et si chaque fonction un est int´egrable Riemann, la fonction somme x →U(x) = P+∞

n=0un(x) est une fonction int´egrable Riemann sur [a, b].

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Th´eor`eme 1.4.2.Si la s´erie de fonctions P

un()est normalement convergente sur [a, b]

et si chaque fonction un est int´egrable Riemann sur [a, b], la s´erie des int´egrales est absolument convergente et on a

D´emonstration. On applique `a nouveau le r´esultat correspondant pour la convergence uniforme des suites. Puisque la suite (Un) des fonctions sommes partielles converge uni-form´ement vers U, on sait que

Z b

Corollaire 1.4.3.Soit Iun intervalle de R; on suppose que la s´erie de fonctions P un() est normalement convergente sur I et que chaque fonction un est continue sur I. Soit a un point de I et posons

∀x∈I, fn(x) = Z x

a

un(t) dt.

La fonctionfnest la primitive deunnulle au pointa; pour tout intervalleborn´e Jcontenu dans Ila s´erie des fonctions P

fn()converge normalement sur J, et la fonctionFsomme de la s´erie P

fn(), d´efinie par F(x) = P+∞

n=0fn(x), est la primitive nulle en a de la fonction continue U, somme de la s´erie de fonctions P

un(), d´efinie sur I.

D´emonstration. Soit J un intervalle born´e contenu dans I et soit M tel que J⊂[−M,M]

et |a| ≤M ; pour tout x ∈J on aura

|fn(x)| ≤ |x−a| kunku,I ≤2Mkunku,I, donc la s´erie P

2Mkunku,I est une s´erie majorante convergente sur J pour la s´erie de fonctions P

fn(). Comme tout point x∈I est contenu dans un intervalle born´e J, on en d´eduit que la s´erie P

fn(x) converge pour toutx ∈I, et on peut donc d´efinir pour tout x∈I appliquer le th´eor`eme 1.4.2 `a l’intervalle ferm´e born´e [a, x], donc

F(x) =

Le cas x < a est analogue, ce qui permet de voir que F(x) =

Z x a

U(t) dt

pour tout x∈I. Cela montre que F est une primitive de la fonction continue U.

Remarque.Pour une s´erie de fonctions P

wn() de classe C1 telle queP

w0n() converge normalement sur I, le th´eor`eme de d´erivation1.3.2se d´eduit imm´ediatement du r´esultat pr´ec´edent.

et la s´erie des fonctions un(x) =xn converge normalement sur Xa, donc

∀x ∈Xa, −ln(1−x) =

donc cette relation est vraie pour tout x tel que |x| <1 (on a vu qu’elle est vraie aussi pour x = −1, mais on ne l’obtient pas par les m´ethodes pr´ec´edentes de convergence normale). On peut remarquer que ce r´esultat peut aussi s’obtenir par le th´eor`eme de d´erivation lu `a l’envers. Equation de la chaleur.´ On suppose que P

n∈Zn2|an|<+∞, et que la fonctiong(x) est une fonction 2π-p´eriodique donn´ee par la formule

∀x ∈R, g(x) =X

On voit que limt→+∞f(x, t) = a0 pour tout x (on applique le th´eor`eme d’interversion des limites `a la s´erie normalement convergente qui d´efinit f(x, t)).

L’exemple pr´ec´edent est un cas particulier de la th´eorie des s´eries de Fourier. Pour toute suite (cn) de coefficients r´eels ou complexes telle que P

n∈Z|cn| < +∞, on peut d´efinir une fonction f surR par la formule

∀x∈R, f(x) =X

n∈Z

cneinx.

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La fonction obtenue est continue sur R, et elle est 2π-p´eriodique. D’apr`es le th´eo-r`eme 1.4.2, on peut obtenir les coefficients (cn) `a partir de la fonction f en calculant pour tout m∈Z

cm = 1 2π

Z 0

f(x) e−imx dx, (noter queR

0 einxe−imx dx= 0 pour n6=m). Ce qui fait l’importance de cette th´eorie, c’est que l’on peut exprimer la plupart des fonctions p´eriodiques sous la forme ci-dessus : on peut montrer par exemple que sif est une fonction 2π-p´eriodique sur R, de classe C1, alors les coefficients (cn) calcul´es par la formule pr´ec´edente v´erifient P

n∈Z|cn|<+∞ et la fonction f est ´egale `a la somme de la s´erie de Fourier correspondante.

Si on pr´ef`ere les fonctions r´eelles, on peut d´ecomposer l’exponentielle complexe en sinus et cosinus pour obtenir des d´ecompositions de la forme

f(x) = a0

2 + X+∞

n=1

ancos(nx) + X+∞

n=1

bnsin(nx).

S´eries altern´ees de fonctions

La m´ethode des s´eries normalement convergentesP

un() n’est qu’une fa¸con tr`es particu-li`ere d’obtenir la convergence uniforme de la suite des fonctions sommes partielles (Un).

Dans certains cas, d’autres m´ethodes sont beaucoup plus performantes.

Proposition 1.4.4.Soit (vn) une suite de fonctions sur un intervalle X de R telle que – pour tout x∈X et tout n≥0, on a vn(x)≥vn+1(x)≥0(c’est-`a-dire que la suite (vn(x))est d´ecroissante positive pour tout x ∈X)

– la suite de fonctions (vn) tend uniform´ement vers 0 sur X, c’est-`a-dire que limn kvnku,X = 0.

Alors les sommes partielles de la s´erie altern´ee de fonctions P

(−1)nvn() convergent uniform´ement sur X. Il en r´esulte que la fonction somme est continue sur X si chaque fonction vn est continue sur X.

D´emonstration. On remarque d’abord que pour chaque x ∈ X fix´e, on peut en posant un(x) = (−1)nvn(x) appliquer le th´eor`eme des s´eries altern´ees pour d´eduire que la s´erie Pun(x) converge pour chaque x fix´e ; on peut donc poser U(x) = P+∞

n=0un(x). On montre ensuite que

kUn−Uku,X≤ kvn+1ku,X

pour tout n. En effet, on voit que (U2n(x)) est d´ecroissante et (U2n+1(x)) croissante, donc U2n+1(x) ≤U(x) ≤ U2n(x). L’´ecart entre U(x) et U2n(x) est donc au plus ´egal `a U2n(x)−U2n+1(x) =v2n+1(x), et on raisonne de la mˆeme fa¸con pour U2n+1 `a partir de l’encadrement U2n+1(x)≤U(x)≤U2n+2(x).

Exercice. Montrer que π

4 = Arctan(1) = 1− 1 3 + 1

5 − · · · en ´etudiant la s´erie altern´ee de fonctions

X

n>0

(−1)n x2n+1 2n+ 1 sur l’intervalle [0,1].

Un exemple avec Abel La s´erie

X

n>1

einx

√n

d´efinit une fonction continue sur X = [α,2π−α] pour tout αtel que 0< α <2π−α. En effet, les fonctions sommes partielles convergent uniform´ement sur cet intervalle. On pose λn = n+11 . C’est une suite qui d´ecroˆıt vers 0. On pose aussi wn(x) = ei(n+1)x pour tout n≥0. On montre que

|Wn(x)| ≤ 2

|1−e| pour toutx∈[α,2π−α]. Ensuite la transformation d’Abel

λ0w0(x) +· · ·+λnwn(x) = (λ0−λ1)W0(x) +· · ·+ (λn−1−λn)Wn−1(x) +λnWn(x) transforme en une s´erie normalement convergente P

n−1−λn)Wn−1() plus un r´esidu λnWn(x) qui tend uniform´ement vers 0 sur X.

Int´egrale g´en´eralis´ee d´ependant d’un param`etre

Th´eor`eme 1.4.5.On suppose queIest un intervalle deR, et quef est une fonction r´eelle ou complexe d´efinie et continue sur [0,+∞]×I. On suppose qu’il existe une fonction g sur [0,+∞[ telle que

– pour tout (x, t)∈[0,+∞[×I, on a |f(x, t)| ≤ g(x); – l’int´egrale de g est convergente, R+∞

0 g(x) dx <+∞. Dans ce cas, la fonction Fd´efinie sur I par

∀t∈I, F(t) = Z +∞

0

f(x, t) dx est une fonction continue sur I.

D´emonstration. Pour tout entier n≥0, posons un(t) =

Z n+1 n

f(x, t) dx.

D’apr`es le th´eor`eme 1.1.11, cette fonction un est continue sur l’intervalle I. De plus, on a pour tout t∈I

|un(t)| ≤ Z n+1

n |f(x, t)|dt≤ Z n+1

n

g(x) dx=vn, 20

et la s´erie num´erique P

vn est convergente puisque

+∞X

n=0

vn = Z +∞

0

g(x) dx.

La s´erie de fonctions continuesP

un() admet donc sur I une s´erie majorante convergente, donc sa somme est une fonction continue. Mais on a

+∞X

n=0

un(t) = Z +∞

0

f(x, t) dx= F(t).

Dans le document ALG`EBRE ET ANALYSE APPROFONDIES II MT242 (Page 20-27)