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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Suites et s´eries de fonctions

Table des mati` eres

1 Convergences simple et uniforme 2

1.1 Cas des suites de fonctions . . . 2

1.1.1 D´efinitions . . . 2

1.1.2 Exemples . . . 4

1.1.3 Propri´et´es . . . 6

1.2 Cas des s´eries de fonctions . . . 7

2 Continuit´e de la limite uniforme 10 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z ” 14 3.1 Convergence uniforme . . . 14

3.2 convergence domin´ee . . . 16 4 D´erivation d’une suite ou d’une s´erie d’applications 20

(2)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme Dans ce chapitre K d´esigneR ou C.

On s’int´eresse dans ce chapitre `a l’´etude d’une suite ou d’une s´erie de fonctions d´efinies sur une partie d’un K-espace vectoriel de dimension finie et `a valeurs dans un second K-espace vectoriel de dimension finie.

Ainsi, dans tout ce chapitre, on fixe deux K-espaces vectoriels de dimensions finies E et F, D une partie non vide de E, (fn)n∈N une suite d’applications de D dans F etf une application de D dans F.

1 Convergences simple et uniforme

1.1 Cas des suites de fonctions

1.1.1 D´efinitions D´efinition. On dit que

la suite de fonctions (fn)n∈N converge simplement (que l’on abr`ege en CVS) vers f surD si et seulement si ∀x∈D fn(x) −→

n→+∞f(x). On note alorsfn

CVS−→

D n→+∞

f. Propri´et´e. Unicit´e de la limite simple. Soit g :D−→F.

On suppose que fn CVS

−→D n→+∞

f et que fn CVS

−→D n→+∞

g. Alors f =g.

On peut donc appeler f la limite simple sur D de la suite d’applications (fn).

D´emonstration.

Soit x ∈ D. fn(x) −→

n→+∞f(x) et fn(x) −→

n→+∞g(x). D’apr`es l’unicit´e de la limite d’une suite de vecteurs, f(x) = g(x).

D´efinition. On dit que

la suite de fonctions (fn)n∈N converge uniform´ement (que l’on abr`ege en CVU) vers f surD si et seulement si la suite

sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k

n∈N

est d´efinie

`

a partir d’un certain rang et tend vers 0 lorsque n tend vers +∞.

On note alors fn CVU

−→

D n→+∞

f.

Propri´et´e. NotonsB(D, F) l’ensemble des applications born´ees deDdansF. On sait qu’en posant, pour tout f ∈ B(D, F), N(f) = sup

x∈D

kf(x)k, B(D, F) est unK-espace vectoriel norm´e.

Supposons que (fn)n∈N ∈ B(D, F)N. Alors fn CVU

−→

D n→+∞

f ⇐⇒fn −→N

n→+∞f.

C’est pourquoi la norme N de B(D, F) est parfois aussi appel´ee la norme de la convergence uniforme ou encore la norme uniforme.

Propri´et´e. La convergence uniforme implique la convergence simple.

(3)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme D´emonstration.

Supposons que fn CVU

−→D n→+∞

f et fixons t ∈ D. Il existe N ∈ N tel que pour tout n ≥ N, sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k est d´efini.

Pour tout n≥N kf(t)−fn(t)k ≤sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k −→

n→+∞0, donc fn(t) −→

n→+∞f(t), ce qui prouve que fn CVS

−→

D n→+∞

f.

Propri´et´e. Unicit´e de la limite uniforme. Soit g :D −→F. On suppose que fn CVU

−→D n→+∞

f et que fn CVU

−→D n→+∞

g. Alors f =g.

On peut donc appeler f la limite uniforme sur D de la suite d’applications (fn).

D´emonstration.

fn CVS

−→D n→+∞

f et fn CVS

−→D n→+∞

g, donc l’unicit´e de la limite simple prouve que f =g. Propri´et´e. Soit D0 une seconde partie non vide deE.

SiD0 ⊂D, la convergence uniforme sur D implique la convergence uniforme sur D0. D´emonstration.

En effet, sup

x∈D0

kf(x)−fn(x)k ≤sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k.

Deux interpr´etations de la CVU.

• A l’aide des quantificateurs.

fn CVS

−→D n→+∞

f ⇐⇒(∀x∈D ∀ε∈R+ ∃N ∈N ∀n≥N kf(x)−fn(x)k ≤ε)

⇐⇒(∀ε∈R+ ∀x∈D ∃N∈N ∀n≥N kf(x)−fn(x)k ≤ε).

fn CVU

−→D n→+∞

f ⇐⇒(∀ε∈R+ ∃N ∈N ∀n ≥N sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k ≤ε)

⇐⇒(∀ε∈R+ ∃N ∈N ∀n ≥N ∀x∈D kf(x)−fn(x)k ≤ε)

⇐⇒(∀ε∈R+ ∃N∈N ∀x∈D ∀n≥N kf(x)−fn(x)k ≤ε).

Ainsi, au niveau des quantificateurs, la diff´erence entre la notion de CVS et de CVU r´eside dans la distinction entre ∀∃ et ∃∀. Comme ∃∀ =⇒ ∀∃, on retrouve que la convergence uniforme implique la convergence simple.

• Graphiquement.

On se place dans le cadre des fonctions num´eriques, c’est-`a-dire que l’on suppose queE =F =R. Si g est une application num´erique, on convient de noter Cg son graphe.

fn CVU

−→D n→+∞

f ⇐⇒ ∀ε∈R+ ∃N ∈N ∀n≥N ∀x∈D f(x)−ε≤fn(x)≤f(x) +ε, donc fn CVU

−→D n→+∞

f si et seulement si pour tout ε >0, il existeN ∈N tel que, pour tout n≥N, Cfn est situ´e dans la bande d´elimit´ee parCf−ε etCf+ε.

´

(4)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme Remarque. Si D est de cardinal fini, surD, CVS⇐⇒CVU.

D´emonstration.

On sait d´ej`a que CVU=⇒CVS. Il suffit donc de montrer que CVS=⇒CVU. On suppose donc que fn CVS

−→

D n→+∞

f. Alors sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k ≤X

x∈D

kf(x)−fn(x)k −→

n→+∞0.

Propri´et´e. (Hors programme) SiD=

p

[

i=1

Di et si, pour touti∈ {1, . . . , p},fn CVU

−→Di n→+∞

f,

alors fn CVU

−→

D n→+∞

f.

D´emonstration.

Pour toutx∈D, kfn(x)−f(x)k ≤

p

X

i=1

sup

t∈Di

kfn(t)−f(t)k, donc par passage `a la borne sup´erieure, 0 ≤sup

x∈D

kfn(x)−f(x)k ≤

p

X

i=1

sup

t∈Di

kfn(t)−f(t)k −→

n→+∞0.

Propri´et´e. (Hors programme) Supposons que (fn) converge simplement vers f sur D, mais qu’il n’y ait pas convergence uniforme surD. Alors, pour tout a∈D, la suite (fn) ne converge pas uniform´ement versf surD\ {a}.

D´emonstration.

Sinon, la convergence uniforme sur D1 = D\ {a} et sur D2 = {a} (D2 est fini, donc la convergence simple surD2 entraˆıne la convergence uniforme sur D2) impliquerait la convergence uniforme sur D=D1∪D2.

1.1.2 Exemples

En pratique, lorsque l’on d´esire ´etudier la convergence uniforme d’une suite (fn), on commence par ´etudier la convergence simple. Lorsqu’il n’y a pas CVS, il est inutile d’´etudier la CVU. On se limite donc `a un domaine D sur lequel la CVS est assur´ee.

L’´eventuelle limite uniforme est connue : c’est la limite simple, not´ee f. Si (fn) CVU vers f sur D, l’´etude est achev´ee. Sinon, on cherche comment restreindre le domaine D `a un domaine D0 sur lequel il y a CVU.

Premier exemple.

Pour n∈N, on note fn: [0,1] −→ R t 7−→ tn. Etude de la CVS. fn CVS

−→

[0,1]

n→+∞

f, o`u f : [0,1]−→ R est d´efinie par f(1) = 1 et, pour tout x∈[0,1[, f(x) = 0.

Etude de la CVU. Soit n∈N. L’´etude de la fonctionfn montre que

(5)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme sup

t∈[0,1]

|f(t)−fn(t)|= 1, donc il n’y a pas CVU sur [0,1].

[0,1] ´etant compact, il n’ y a pas non plus CVUTC.

Le probl`eme est ent = 1. En effet, pour touta∈]0,1[, sup

t∈[0,a]

|f(t)−fn(t)|=an −→

n→+∞0, donc fn CVU

−→

[0,a]

n→+∞

f.

On en d´eduit que fn

CVUTC

−→

[0,1[

n→+∞

f mais il n’y a pas CVU sur [0,1[.

Deuxi`eme exemple.

On fixe α∈R+. Pourn ∈N, on note fn : R+ −→ R

t 7−→ nαte−nt. Etude de la CVS. Si t = 0, fn(t) = 0 −→

n→+∞0. Si t > 0, nαe−nt −→

n→+∞0, donc fn(t) −→

n→+∞0. Ainsi fn CVS

−→

R+

n→+∞

0.

Etude de la CVU. Soit n∈N. fn est d´erivable sur R+ et pour tout t∈R+, fn0(t) = nαe−nt(1−nt), doncfn0(t) = 0 ⇐⇒t = n1.

Le tableau de variations defn montre alors que sup

t∈R+

fn(t) = fn(1

n) =nα−11 e. Premier cas. Siα <1, fn CVU

−→

R+

n→+∞

0.

Deuxi`eme cas. On suppose que α ≥ 1. Alors il n’y a pas CVU sur R+. On constate que le probl`eme se situe au voisinage de 0.

Soit a ∈ R+. Pour tout n > 1a, sup

t∈[a,+∞[

fn(t) = fn(a) −→

n→+∞0 d’apr`es la CVS, donc fn CVU

[a,+∞[−→

n→+∞

0.

On en d´eduit que fnCVUTC

−→

R + n→+∞

0 sans qu’il y ait CVU sur R+. Troisi`eme exemple.

Pour n∈N, on note

fn: R −→ R t 7−→ nt

1 +n2t2 . Etude de la CVS.Sit = 0,fn(t) = 0 −→

n→+∞0. Sit6= 0,fn(t) −→

n→+∞0. Ainsifn

CVS−→

R n→+∞

0.

Etude de la CVU. Pour tout n ∈ N, fn(n1) = 12, donc sup

t∈R

|fn(t)| ≥ 1

2, ce qui montre qu’il n’y a pas CVU surR.

On constate que le probl`eme est localis´e au voisinage de 0.

Soit a∈R+. On note Da =]− ∞,−a[∪]a,+∞[.

Soit n ∈N. Pour toutt∈Da, |fn(t)| ≤ n|t|

n2t2 = 1

n|t| ≤ 1 na,

´

(6)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme donc sup

t∈Da

|fn(t)| ≤ 1 na −→

n→+∞0, ce qui prouve que fn

CVU−→

Da n→+∞

0.

On en d´eduit que fn

CVUTC

−→

R n→+∞

0, mais il n’y a pas CVU sur R.

Remarque. Le second exemple illustre le fait que la borne sup´erieure d’une application peut parfois ˆetre calcul´ee exactement, en d´eterminant le tableau de variations de cette application.

Le dernier exemple montre comment on peut aller plus vite pour montrer la CVU ou la non CVU. Voici la g´en´eralisation des techniques mises en oeuvre.

Propri´et´e. S’il existe une suite (an)n∈N∈RN+ telle que

∀x∈D kf(x)−fn(x)k ≤an, avec an −→

n→+∞0, alors fn CVU

−→D n→+∞

f.

Remarque. Il est important de comprendre que la suite (an) apparaissant avant tout choix d’un x∈D, elle est ind´ependante dex.

Propri´et´e. S’il existe une suite (xn)n∈N ∈DN telle que la suite (f(xn)−fn(xn))n∈N

ne tend pas vers 0, alors la suite d’applications (fn) ne converge pas uniform´ement sur D.

D´emonstration.

Sifn CVU

−→

D n→+∞

f, alors pour tout n ∈N, kf(xn)−fn(xn)k ≤sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k −→

n→+∞0, doncf(xn)−fn(xn) −→

n→+∞0.

1.1.3 Propri´et´es

Propri´et´e. Une limite uniforme d’applications born´ees est born´ee.

D´emonstration.

On suppose que fn CVU

−→D n→+∞

f et que pour tout n∈N, fn est born´ee sur D.

Il existeN ∈N tel que pour tout n≥N, sup

x∈D

kf(x)−fn(x)k ≤1.

Soit x∈D. kf(x)k ≤1 +kfN(x)k. Ainsi, fN ´etant born´ee, f est born´ee.

Remarque. Une limite simple d’applications born´ees n’est pas n´ecessairement born´ee.

D´emonstration.

Pour n ∈ N, on note fn : R+ −→ R l’application d´efinie par les relations suivantes : fn(x) = x1 si x≥ n1 etfn(x) = 0 si x < n1.

Pour tout n ∈ N, fn est born´ee par n, mais fn

CVS−→

R + n→+∞

f o`u f : R+ −→ R x 7−→ x1 , et f n’est pas born´ee.

(7)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme Remarque. D’autres propri´et´es, elles, sont stables par passage `a la limite simple.

Exercice. Montrez qu’une limite simple d’applications croissantes est croissante.

R´esolution. Supposons que E = F = R, que D est un intervalle inclus dans R, que fn CVS

−→

D n→+∞

f et que pour tout n∈N, fn est croissante.

Soit (x, y)∈D2 tel que x≤y.

Pour tout n ∈ N, fn(x) ≤ fn(y), donc en faisant tendre n vers +∞, on obtient quef(x)≤f(y), ce qui prouve que f est croissante.

Exercice. Montrez qu’une limite simple

d’applications









d´ecroissantes paires impaires T −p´eriodiques

lin´eaires

est









d´ecroissante paire impaire T −p´eriodique

lin´eaire .

Remarque. Ainsi certaines propri´et´es sont stables par passage `a la limite simple alors que d’autres ne le sont que pour le passage `a la limite uniforme. Pour des propri´et´es aussi fondamentales en analyse que la continuit´e et la d´erivabilit´e, la stabilit´e n’est valable que pour la convergence uniforme (et encore pas toujours).

Il existe une seconde raison `a la sup´eriorit´e de la notion de CVU, c’est qu’elle correspond

`

a la notion bien connue de convergence d’une suite de vecteurs sur un espace vectoriel norm´e bien choisi.

1.2 Cas des s´ eries de fonctions

D´efinition. On appelle s´erie de fonctions de terme g´en´eral fn et on note P

fn l’ap- plication D −→ S(F)

x 7−→ P

fn(x).

Notation. Pour n ∈ N, on note Sn =

n

X

k=0

fk. Sn est une application de D dans F, appel´ee la somme partielle d’ordre n de la s´erie d’applicationsP

fn. D´efinition. On dit que la s´erie d’applications P

fn converge simplement sur D si et seulement si la suite de ses sommes partielles (Sn)n∈N converge simplement sur D.

AinsiP

fn converge simplement sur D si et seulement si, pour toutx∈D la s´erie P

fn(x) est convergente.

Dans ce cas, on notera

S: D −→ F x 7−→ S(x) =

+∞

X

n=0

fn(x). S est appel´ee la fonction somme de la s´erie d’applications P

fn. D´efinition. On dit que

´

(8)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme la s´erie d’applicationsP

fn converge uniform´ement sur Dsi et seulement si la suite de ses sommes partielles (Sn)n∈N converge uniform´ement surD.

Notation. Supposons que P

fn CVS surD. Pour tout n∈N, on note Rn : D −→ F

x 7−→ Rn(x) =

+∞

X

k=n+1

fk(x). Rn est appel´e le reste de Cauchy d’ordre n de la s´erie d’applications P

fn. Propri´et´e. On suppose que P

fn CVS sur D. Alors Pfn CVU sur D si et seulement si

la suite de ses restes de Cauchy converge uniform´ement vers 0 sur D.

D´emonstration.

Pfn CVU sur D si et seulement si (1) : Sn CVU

−→

D n→+∞

S.

Or (1)⇐⇒Sn−S CVU

−→D n→+∞

0⇐⇒Rn

CVU−→

D n→+∞

0.

Propri´et´e. Soit n0 ∈N. P

fn CVU sur D si et seulement si X

n≥n0

fn CVU sur D.

D´emonstration.

Pour n≥n0, les restes de Cauchy de P

fn et de X

n≥n0

fn sont ´egaux.

Propri´et´e. Si P

fn CVU sur D, alorsfn CVU

−→D n→+∞

0 . La r´eciproque est fausse.

D´emonstration.

Soit n ∈N.

Pour tout x ∈D, kfn(x)k=kRn−1(x)−Rn(x)k ≤sup

t∈D

kRn(t)k+ sup

t∈D

kRn−1(t)k, donc sup

x∈D

kfn(x)k ≤sup

t∈D

kRn(t)k+ sup

t∈D

kRn−1(t)k −→

n→+∞0, ce qui prouve que fn CVU

−→

D n→+∞

0.

D´efinition. On suppose que, pour toutn∈N, fn est born´ee sur D et on note N(fn) = sup

x∈D

kfn(x)k. Alors, on dit que la s´erie d’applicationsP

fn converge normalement (en abr´eg´e CVN) sur D si et seulement si la s´erie P

N(fn) est convergente.

Propri´et´e. Si P

fn CVN sur D, alorsP

fn CVU sur D . De plus, pour tout x∈D,P

fn(x) est absolument convergente et N

+∞

X

n=0

fn

!

+∞

X

n=0

N(fn).

(9)

Suites et s´eries de fonctions 1 Convergences simple et uniforme D´emonstration.

Soit x∈D : Pour tout n ∈N,kfn(x)k ≤N(fn) et par hypoth`ese, X

N(fn) est convergente, donc P

kfn(x)kconverge, ce qui prouve l’absolue convergence de la s´erie Pfn(x), pour tout x∈D.

En particulier P

fn CVS sur D, donc il reste `a montrer que la suite de ses restes de Cauchy converge uniform´ement vers 0, c’est-`a-dire que sup

x∈D

k

X

k=n+1

fk(x)k −→

n→+∞0.

Or, pour toutn∈Netx∈D,k

X

k=n+1

fk(x)k ≤

X

k=n+1

kfk(x)k ≤

+∞

X

k=n+1

N(fk), donc par passage au sup, sup

x∈D

k

X

k=n+1

fk(x)k ≤

+∞

X

k=n+1

N(fk), mais

+∞

X

k=n+1

N(fk) −→

n→+∞0 car c’est le reste de Cauchy d’une s´erie convergente de r´eels, donc sup

x∈D

k

X

k=n+1

fk(x)k −→

n→+∞0.

Soit x∈D. Pour toutN ∈N, k

N

X

n=0

fn(x)k ≤

N

X

n=0

kfn(x)k ≤

+∞

X

n=0

N(fn), donc, en faisant tendre N vers +∞, k

+∞

X

n=0

fn(x)k ≤

+∞

X

n=0

N(fn). On conclut en passant `a la borne sup´erieure.

Exemple. Pour n∈N, on note

fn: R −→ R

t 7−→ 1

n2+t2 . Etude de la CVS de X

n≥1

fn. Soit t ∈ R. 1

n2+t2 ∼ 1

n2, donc la s´erie converge simplement sur R.

Etude de la CVU.Soitn ∈N. Pour toutt ∈R, 1

n2+t2 ≤ 1

n2, donc sup

t∈R

fn(t)≤ 1 n2, or la s´erie X

n≥1

1

n2 est convergente, donc la s´erie CVN sur R. Ainsi la s´erie X

n≥1

fn CVU surR.

Remarque. La r´eciproque est fausse. Il existe des s´eries d’applications qui CVU sans converger normalement.

Exemple. Pour x∈Ret n∈N, posons fn(x) = (−1)n n+ 1 +|x|. sup

x∈R

|fn(x)|= 1

n+ 1, or P 1

n+ 1 diverge, donc P

fn ne converge pas normalement sur R.

Soit x ∈ R. La s´erie X (−1)n

n+ 1 +|x| est une s´erie altern´ee sp´eciale, donc elle converge

´

(10)

Suites et s´eries de fonctions 2 Continuit´e de la limite uniforme et

+∞

X

k=n+1

fk(x)

≤ 1

n+ 2 +|x| ≤ 1

n+ 2, donc sup

x∈R

+∞

X

k=n+1

fk(x)

≤ 1

n+ 2 −→

n→+∞0, ce qui prouve que P

fn converge uniform´ement surR. Propri´et´e.

S’il existe une suite (an)n∈N∈RN+ telle que

∀x∈D kfn(x)k ≤an, et telle que P

an converge, alors P

fn CVN sur D.

2 Continuit´ e de la limite uniforme

Th´eor`eme d’interversion des limites. Soit a∈D.

Hypoth`eses.

fn

CVU−→

D n→+∞

f.

Pour toutn ∈N, il existe ln∈F tel que fn(x)−→x→a

x∈D

ln. Conclusions.

Il existel ∈F tel que ln −→

n→+∞l.

f(x)−→x→a

x∈D

l.

D´emonstration.

Soit ε >0. Il existeN ∈N tel que pour tout x∈Det pour tout n ≥N, kf(x)−fn(x)k ≤ ε2.

Soient p≥N etq ≥N. Pour tout x∈D,

kfp(x)−fq(x)k ≤ kf(x)−fp(x)k+kf(x)−fq(x)k ≤ε.

On fait tendre xvers a en appartenant `a D. On obtient queklp−lqk ≤ε.

Ainsi la suite (ln) est une suite de Cauchy de vecteurs de F, lequel est de dimension finie, donc il existe l∈F tel que ln −→

n→+∞l.

Pour tout (x, M)∈D×N,

(1) : kf(x)−lk ≤ kf(x)−fM(x)k+kfM(x)−lMk+klM −lk.

Soit ε >0. Il existe N1 ∈N tel que pour toutx∈D et n≥N1, kf(x)−fn(x)k ≤ 3ε. Il existeN2 ∈Ntel que pour tout n≥N2, kl−lnk ≤ ε3.

PosonsM = max(N1, N2).fM(x)−→x→a

x∈D

lM donc il existe α >0 tel que pour toutx∈D, (ka−xk ≤α=⇒ kfM(x)−lMk ≤ ε3.

Soitx∈Dtel queka−xk ≤α. D’apr`es (1),kf(x)−lk ≤ε. Ceci prouve quef(x)−→

x→a x∈D

l.

Remarque. Le th´eor`eme reste valable lorqueD⊂R, aveca= +∞etD non major´e, ou biena =−∞ etD non minor´e.

En effet, la d´emonstration s’adapte sans difficult´e.

(11)

Suites et s´eries de fonctions 2 Continuit´e de la limite uniforme Remarque. Les conclusions du th´eor`eme sont encore vraies si l’on suppose seulement que fn CVU

−→

V∩D n→+∞

f, o`uV ∈ V(a).

Interpr´etation. Sous les hypoth`eses du th´eor`eme, les objets math´ematiques qui suivent sont d´efinis et v´erifient

n→+∞lim lim

x→a x∈D

fn(x)

!

= lim

x→a x∈D

n→+∞lim fn(x)

.

C’est la raison pour laquelle ce th´eor`eme porte le nom de th´eor`eme d’interversion des limites.

Remarque. Avec E =F = R, D = [0,1[, et pour tout n ∈ N, pour tout x ∈ [0,1[, fn(x) =xn,

on a lim

n→+∞ lim

x→1 x∈D

fn(x)

!

= 16= 0 = lim

x→1 x∈D

n→+∞lim fn(x)

, ce qui montre que l’interversion des limites n’a rien d’automatique.

Th´eor`eme. Limite de la somme d’une s´erie d’applications. Soit a∈D.

Hypoth`eses.

P

fn CVU sur D.

Pour toutn ∈N, il existe ln∈F tel que fn(x)−→x→a

x∈D

ln. Conclusions.

La s´erie P

ln est convergente.

+∞

X

n=0

fn(x)−→

x→a x∈D

+∞

X

n=0

ln. D´emonstration.

Avec les notations introduites au paragraphe 1.2, Sn CVU

−→D n→+∞

S, et pour tout

n ∈ N, Sn(x) −→

x→a x∈D

n

X

k=0

lk, donc d’apr`es le th´eor`eme d’interversion des limites, la suite

n

X

k=0

lk

!

n∈N

est convergente etS(x)−→

x→a x∈D

+∞

X

n=0

ln.

Remarque. Le th´eor`eme reste valable lorque D⊂R et que a=±∞.

Remarque. Les conclusions du th´eor`eme sont encore vraies si l’on suppose seulement que P

fn CVU sur V ∩D, o`u V ∈ V(a).

Interpr´etation. Sous les hypoth`eses du th´eor`eme, les objets math´ematiques qui suivent sont d´efinis et v´erifient

+∞

X

n=0

limx→a x∈D

fn(x)

!

= lim

x→a x∈D

+∞

X

n=0

fn(x)

! .

´

(12)

Suites et s´eries de fonctions 2 Continuit´e de la limite uniforme C’est encore un th´eor`eme d’interversion.

Exemple. lim

t→0 +∞

X

n=1

1

n2+t2 = π2

6 et lim

t→+∞

+∞

X

n=1

1

n2+t2 = 0.

Th´eor`eme. Soit a∈D.

S’il existe un voisinageV deatel que fn CVU

−→V∩D n→+∞

f et si, pour toutn∈N,fnest continue ena, alorsf est continue en a.

D´emonstration.

Pour tout n∈N, fn ´etant continue en a, fn(x) −→

x→a x∈V∩D

fn(a).

De plus a ∈ V ∩D et la convergence uniforme implique la convergence simple, donc fn(a) −→

n→+∞f(a). Alors d’apr`es le th´eor`eme d’interversion des limites, f(x) −→

x→a x∈V∩D

f(a), mais la notion de limite en un point est locale `a ce point, donc f(x)−→x→a

x∈D

f(a), ce qui prouve la continuit´e de f ena.

Th´eor`eme. Soit a ∈ D. S’il existe un voisinage V de a tel que P

fn converge uni- form´ement sur V ∩D et si, pour tout n ∈ N, fn est continue en a, alors

+∞

X

n=0

fn est continue en a.

Th´eor`eme.

Si une suite d’applications continues surD converge uniform´ement surD, la limite de cette suite est une application continue surD.

Remarque. Plus pr´ecis´ement, si (fn) est une suite d’applications continues sur Det si pour tout a∈D, il existe V ∈ V(a) tel quefn CVU

−→

V∩D n→+∞

f, alors f est continue.

LorsqueDest un intervalle deR, il suffit donc de v´erifier quefnconverge uniform´ement vers f sur tout segment inclus dans D.

Th´eor`eme.

La somme d’une s´erie d’applications continues sur D qui CVU sur D est une application continue sur D.

Remarque. Plus pr´ecis´ement, si P

fn est une s´erie d’applications continues sur Det si pour touta ∈D, il existeV ∈ V(a) tel queP

fn converge uniform´ement surV ∩D, alors

+∞

X

n=0

fn est continue.

LorsqueDest un intervalle deR, il suffit donc de v´erifier quefnconverge uniform´ement vers f sur tout segment inclus dans D.

Exercice. Soit D une partie compacte de E. Montrer que l’ensemble C(D, F) des applications continues D dans F est un ferm´e de B(D, F).

Solution :D´etant compacte, toute application continue deDdansF est born´ee, doncC(D, F)⊂ B(D, F).

(13)

Suites et s´eries de fonctions 2 Continuit´e de la limite uniforme Soit (fn) est une suite dansC(D, F) qui converge vers f ∈ B(D, F),

alors fn CVU

−→

D n→+∞

f, donc f est continue. Ainsi f ∈ C(D, F), ce qui prouve que C(D, F) est un ferm´e de B(D, F).

Exercice. Etude de la fonction Z´eta.

Pour toutx∈]1,+∞[, on pose ζ(x) =

+∞

X

n=1

1 nx .

1) Montrez que ζ est une application d´efinie et continue sur ]1,+∞[.

2) Montrez que c’est une application strictement d´ecroissante.

3) D´eterminez la limite de ζ en +∞ ainsi qu’un ´equivalent de ζ(x) lorsque x tend vers 1.

R´esolution.

1) Pour tout n∈N, posons

fn: ]1,+∞[ −→ R x 7−→ 1 nx

. Soit a >1.

Soit n∈N. Pour tout x∈[a,+∞[, 0≤fn(x)≤ 1

na, donc sup

x∈[a,+∞[

|fn(x)| ≤ 1 na. Or X

n≥1

1

na est convergente, donc la s´erie d’applications X

n≥1

fn converge normale- ment sur [a,+∞[, doncX

n≥1

fn converge uniform´ement sur [a,+∞[.

De plus, pour toutb ∈]1,+∞[, il existea∈]1,+∞[ tel que

[a,+∞[∈ V(b) : il suffit de choisira∈]1, b[. Or, pour tout n∈N,fn est continue sur ]1,+∞[, donc, d’apr`es le cours,ζ =

+∞

X

n=1

fn est d´efinie et continue sur ]1,+∞[.

Remarque.On peut d´emontrer que la s´erie d’applicationsX

n≥1

fn ne converge pas uniform´ement sur ]1,+∞[.

Sinon, en effet, le fait que, pour tout n ∈ N, fn(x) −→

x<1

1

n impliquerait d’apr`es un th´eor`eme d’interversion que la s´erie X

n≥1

1

n est convergente, ce qui est faux.

2) Soit (x, y)∈]1,+∞[2 tel que x < y.

1

2x =e−xln(2)> e−yln(2) et, pour tout n≥3, 1 nx ≥ 1

ny, donc ζ(x) = 1 + 1

2x +

+∞

X

n=3

1

nx >1 + 1 2y +

+∞

X

n=3

1

ny =ζ(y).

Ainsi, l’application est strictement d´ecroissante sur ]1,+∞[.

´

(14)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

” 3)

• Pour tout n ≥ 2,fn(x) −→

x→+∞0, et f1(x) = 1 −→

x→+∞1, or, d’apr`es la premi`ere question, X

n≥1

fn converge uniform´ement sur [2,+∞[, donc, d’apr`es un th´eor`eme d’interversion,ζ(x) −→

x→+∞1.

• Soit x∈]1,+∞[. Posons

f : [1,+∞[ −→ R t 7−→ 1 tx

. f est d´ecroissante.

Appliquons la technique de comparaison entre s´erie et int´egrale.

Pour toutn ≥2,f(n)≤ Z n

n−1

f(t)dt≤f(n−1), donc pour tout N ≥2,

N−1

X

n=1

1 nx =

N

X

n=2

f(n−1)≥ Z N

1

f(t)dt = Z N

1

dt tx

N

X

n=2

f(n) = −1 +

N

X

n=1

1 nx, donc, en faisant tendreN vers +∞, on obtient que

ζ(x)≥ Z +∞

1

dt

tx = [ t1−x

1−x]+∞1 = 1

x−1 ≥ −1 +ζ(x).

Ainsi 1≤(x−1)ζ(x)≤(x−1) + 1. D’apr`es le th´eor`eme des gendarmes, (x−1)ζ(x)−→

x→1 x>1

1, donc ζ(x) ∼

x→1 x>1

1 x−1. Remarque.

Lorsque l’on recherche un ´equivalent en a de la somme d’une s´erie d’applications, dans le cas o`u le th´eor`eme d’interversion entre limite et X

ne permet pas de conclure, il est souvent int´eressant d’utiliser la technique de comparaison entre s´erie et int´egrale, en s’inspirant de l’exemple pr´ec´edent.

3 Th´ eor` emes d’interversion entre limites et “ Z

3.1 Convergence uniforme

Notation. Pour ce paragraphe, E =R et D est un segment, not´e [a, b], o`u a, b∈ R avec a < b.

Th´eor`eme. Interversion entre limite et signe R . Si pour tout n∈N, fn est continue sur [a, b] et si fn

CVU−→

[a,b]

n→+∞

f, alors Z b

a

fn −→

n→+∞

Z b a

f.

D´emonstration.

D’abord, f est continue en tant que limite uniforme d’applications continues, donc Rb

a f(t)dt est d´efinie. De plus, pour tout n∈N,

Rb

a fn−Rb af

≤Rb

a kfn(t)−f(t)kdt ≤(b−a)× sup

t∈[a,b]

kfn(t)−f(t)k −→

n→+∞0.

(15)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

Remarque. Sous les hypoth`eses du th´eor`eme, Z b

a

n→+∞lim fn(t)dt= lim

n→+∞

Z b a

fn(t)dt.

Il s’agit donc bien d’un th´eor`eme d’interversion.

Exemple.

Z 1

1 2

(1−x2)ndx −→

n→+∞0. En effet, ici [a, b] = [1 2,1], et en posant fn(x) = (1 − x2)n, 0 ≤ fn(x) ≤ (3

4)n, donc fn CVU

−→

[a,b]

n→+∞

0, ce qui permet d’appliquer le th´eor`eme pr´ec´edent.

Th´eor`eme. Interversion entre P

et signe R . Si pour tout n ∈ N, fn est continue sur [a, b] et si P

fn converge uniform´ement sur [a, b], alors

Z b a

+∞

X

n=0

fn=

+∞

X

n=0

Z b a

fn (et ces s´eries sont bien convergentes).

D´emonstration.

Sn =

n

X

k=0

fk CVU

−→

[a,b]

n→+∞

+∞

X

n=0

fn = S et pour tout n ∈ N, Sn est continue, donc d’apr`es la propri´et´e pr´ec´edente,

n

X

k=0

Z b a

fk(t)dt = Z b

a

Sn(t)dt −→

n→+∞

Z b a

S(t)dt. Ceci prouve que la

s´erie XZ b a

fn(t)dt est convergente et que

+∞

X

n=0

Z b a

fn(t)dt= Z b

a +∞

X

n=0

fn(t)dt.

Exemple. Soit x∈]−1,1[. 1 1 +x =

+∞

X

n=0

(−x)n, donc ln(1 +x) =

Z x 0

dt 1 +t =

Z x 0

+∞

X

n=0

(−t)ndt.

Ici, I = [0, x]. Posons fn(t) = (−t)n : pour tout t ∈ [0, x], |fn(t)| ≤ |x|n, donc sup

t∈[0,x]

|fn(t)| ≤ |x|n, or X

|x|n converge, doncX

fn converge normalement, donc uni- form´ement, sur [0, x]. On peut donc appliquer le th´eor`eme pr´ec´edent. Ainsi,

ln(1 +x) =

+∞

X

n=0

Z x 0

(−t)ndt =

+∞

X

n=0

(−1)nxn+1 n+ 1 .

Remarque. Les deux th´eor`emes pr´ec´edents deviennent faux si l’on remplace

l’hypoth`ese de convergence uniforme par une hypoth`ese de convergence simple, et ceci mˆeme si on suppose que la limite simple est continue.

D´emonstration.

Pour n∈N, on d´efinit fn : [0,1]−→Rpar les relations suivantes : si t∈[0, 1

2(n+ 1)], fn(t) = 2(n+ 1)2t, si t∈[ 1

2(n+ 1), 1

n+ 1], fn(t) = 2(n+ 1)2( 1

n+ 1 −t)

´

(16)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

” et pour t∈[ 1

n+ 1,1], fn(t) = 0.

fn

CVS−→

[0,1]

n→+∞

0, mais Z 1

0

fn(t)dt= 1

2. Ainsi, lim

n→+∞

Z 1 0

fn= 1 2 et

Z 1 0

n→+∞lim fn = 0.

Au paragraphe suivant, nous allons ´enoncer des th´eor`emes d’interversion faisant seule- ment l’hypoth`ese d’une convergence simple, mais, en vertu du contrexemple pr´ec´edent, nous aurons toujours besoin d’une hypoth`ese suppl´ementaire.

3.2 convergence domin´ ee

Notation. Pour ce paragraphe, E =Ret D est un intervalle quelconque, not´e I. De plus, F =K.

Th´eor`eme de convergence domin´ee.

Hypoth`eses.

Pour toutn ∈N, fn est continue par morceaux.

fn CVS

−→I n→+∞

f, o`uf est continue par morceaux.

Hypoth`ese de domination. Il existeϕ :I −→R+ telle que

∀n∈N ∀t∈I |fn(t)| ≤ϕ(t).

ϕest continue par morceaux et int´egrable sur I, ce qui implique l’int´egrabilit´e des fn.

Conclusions.

f est int´egrable surI.

Z

I

fn −→

n→+∞

Z

I

f. D´emonstration.

Hors programme.

Remarque. Les hypoth`eses de continuit´e par morceaux, impos´ees par les limitations du programme, n’ont pas l’importance de l’hypoth`ese de domination.

Exemple. Posons In = Z 1

0

(1−t2)ndt. En notant fn(t) = (1−t2)n, fn CVS

−→

[0,1]

n→+∞

f, o`u f(x) = 0 lorsque x ∈]0,1] et f(0) = 1. les fn sont domin´es par la fonction constante

´

egale `a 1, qui est int´egrable sur [0,1], donc d’apr`es le th´eor`eme de convergence domin´ee, In −→

n→+∞0.

Exemple. Montrons que Z

R

dx

1 + xn2n −→

n→+∞

Z

R

e−x2dx(=√ π).

• Pour toutn ∈N etx∈R, posons fn(x) = 1

1 + xn2n etf(x) =e−x2. Soit x∈R. fn(x) =e−nln(1+x

2

n)=e−n(x

2 n+o( 1n))

n→+∞−→ e−x2. Ainsi fn CVS

−→

n→+∞R

f.

(17)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

” Il suffit maintenant de montrer que la suite d’applications (fn)n∈N est domin´ee par une application int´egrable sur R.

Mais (1 + x2 n)n =

n

X

k=0

n k

x2k

nk ≥1 +nx2

n, donc |fn(x)| ≤ 1

1 +x2 =ϕ(x).ϕ est bien une application positive, continue et int´egrable sur R.

Th´eor`eme de convergence domin´ee g´en´eralis´e.

Soit J un intervalle de R eta∈R∪ {+∞,−∞} tel que J rencontre tout voisinage de a. Pour tout λ∈J, soit fλ une application continue par morceaux de I dans K. On suppose que, pour toutx∈I, fλ(x)−→

λ→a λ∈J

f(x), o`u f est continue par morceaux.

On suppose surtout, qu’il existe ϕ :I −→R+ telle que ∀λ∈J ∀t ∈I |fλ(t)| ≤ ϕ(t), o`uϕ est continue par morceaux et int´egrable surI.

Alorsf est int´egrable sur I et Z

I

fλ −→

λ→a λ∈J

Z

I

f.

D´emonstration.

Dans l’hypoth`ese de domination, en faisant tendre λ vers a, on obtient |f(t)| ≤ ϕ(t), orϕ est int´egrable sur I, donc f est int´egrable sur I.

Soit (λn)n∈N ∈ JN telle que λn −→

n→+∞a. Posons fn = fλn. Alors fn CVS

−→I n→+∞

f et pour tout n ∈ N, pour tout t ∈ I, |fn(t)| ≤ ϕ(t), donc d’apr`es le th´eor`eme de convergence domin´ee,

Z

I

fλn(t) −→

n→+∞

Z

I

f(t), ce qu’il fallait d´emontrer d’apr`es la caract´erisation s´equentielle de la notion de limite en un point.

Exemple. Sif est une application continue par morceaux de R dansC et int´egrable surR, alors

Z +∞

−∞

cos(xt)f(t)dt −→

x→0

Z +∞

−∞

f(t)dt.

En effet, si l’on pose fx(t) = cos(xt)f(t), on a bien, pour tout t∈R, fx(t)−→

x→0 f(t) et

|fx(t)| ≤ |f(t)| avect 7−→ |f(t)| int´egrable sur R par hypoth`ese.

´

(18)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

” Th´eor`eme. Th´eor`eme d’int´egration terme `a terme.

Hypoth`eses.

Pour toutn ∈N,fn est continue par morceaux et int´egrable sur I.

X

fn CVS surI, et

+∞

X

n=0

fn est continue par morceaux surI.

La s´erie XZ

I

|fn| converge.

Conclusions.

+∞

X

n=0

fn est int´egrable sur I.

La s´erie XZ

I

fn converge.

Z

I +∞

X

n=0

fn =

X

n=0

Z

I

fn. D´emonstration.

Hors programme.

Remarque. Les hypoth`eses de continuit´e par morceaux, impos´ees par les limita- tions du programme, n’ont pas l’importance de l’hypoth`ese de convergence de la s´erie XZ

I

|fn|.

Exercice.

1) Montrer que

∀x∈[−1,1]

Z 1 0

1−t 1−xt3dt=

+∞

X

n=0

xn

(3n+ 1)(3n+ 2). 2) En d´eduire la valeur de

+∞

X

n=0

1

(3n+ 1)(3n+ 2). Solution de l’exercice :

1) Soit x∈[−1,1]. Pour tout t ∈[0,1[, notons f(t) = 1−t 1−xt3.

• Lorsquex6= 1, f(t)−→

t→1 0 et lorsque x= 1,f(t) = 1

1 +t+t2 −→

t→1

1

3, donc dans tous les cas, f est prolongeable par continuit´e en 1, donc f est int´egrable sur [0,1[. Ainsi,

Z 1 0

1−t

1−xt3dt est d´efinie.

De plus, pour toutn ∈N,

xn

(3n+ 1)(3n+ 2) ≤ 1

9n2, orX

n≥1

1

n2 est convergente, donc

+∞

X

n=0

xn

(3n+ 1)(3n+ 2) est d´efinie.

(19)

Suites et s´eries de fonctions 3 Th´eor`emes d’interversion entre limites et “ Z

• Pour tout t∈[0,1[, 1 1−xt3 =

+∞

X

n=0

(xt3)n, donc

Z 1 0

f(t)dt = Z

[0,1[

+∞

X

n=0

xn(t3n−t3n+1)dt.

Supposons pour le moment que l’on peut intervertir les symboles R etP

. Alors Z 1

0

f(t)dt =

+∞

X

n=0

xn Z 1

0

(t3n−t3n+1)dt

=

+∞

X

n=0

xn 1

3n+ 1 − 1 3n+ 2

=

+∞

X

n=0

xn

(3n+ 1)(3n+ 2).

• Pour tout n∈N et t∈[0,1[, posons fn(t) = xn(t3n−t3n+1).

XZ 1 0

|fn(t)|dt

= X

|x|n Z 1

0

(t3n −t3n+1)dt = X |x|n

(3n+ 1)(3n+ 2) et on a montr´e ci-dessus la convergence de cette s´erie. De plus, pour tout n ∈ N, fn est continue et int´egrable sur [0,1[,P

fn converge simplement sur [0,1[ et la somme de cette s´erie d’applications est f, qui est continue sur [0,1[, donc l’interversion est justifi´ee d’apr`es un th´eor`eme du cours.

2) En particulier, pour x= 1,

+∞

X

n=0

1

(3n+ 1)(3n+ 2) = Z 1

0

1−t 1−t3dt=

Z 1 0

dt 1 +t+t2 =

Z 1 0

dt (t+12)2+ 34

=h 2

√3arctan2t+ 1

√3 i1

0

= 2

√3

arctan(√

3)−arctan 1

√3

= 2

√3(π 3 − π

6) donc

+∞

X

n=0

1

(3n+ 1)(3n+ 2) = π 3√

3 .

´

(20)

Suites et s´eries de fonctions 4 D´erivation d’une suite ou d’une s´erie d’applications

4 D´ erivation d’une suite ou d’une s´ erie d’applica- tions

Notation. I d´esigne encore un intervalle deR dont l’int´erieur est non vide, f est une application de I dans un K-espace vectorielF de dimension finie, et (fn) est une suite d’applications de I dans F.

Exemple. Pour n∈N et t∈R, posons fn(t) = r

t2+ 1 n2. Soit t∈R. fn(t) −→

n→+∞|t|. Ainsi fn CVS

−→

R n→+∞

|.|.

Soit n ∈N. Pour tout t ∈ R, 0 ≤ fn(t)− |t|= 1 n2(|t|+

q

t2+n12)

≤ 1 n −→

n→+∞0, donc fn

CVU−→

R n→+∞

|.|.

Ainsi, sifn

CVU−→

I n→+∞

f et si, pour toutn ∈N, fn est d´erivable, f n’est pas n´ecessairement d´erivable.

Exemple. Pour n∈N et t∈R, posons fn(t) = 1

n sin(nt).

Soit n ∈N. Pour toutt∈R, |fn(t)| ≤ 1n −→

n→+∞0, donc fn CVU

−→

R n→+∞

0.

Ainsi, pour tout n∈N, fn est d´erivable (et mˆeme de classeC) et la limite uniforme de (fn)n∈N est d´efinie, et est de classe C.

Cependant,fn0(t) = cos(nt), doncfn0(π) = (−1)n, ce qui prouve que (fn0)n∈Nne converge pas simplement sur R.

Ainsi, sifn

CVU−→

I n→+∞

favecfnetfde classeC, la suite (fn0) ne converge pas n´ecessairement vers f0, mˆeme au sens de la convergence simple.

Notation. Lorsque fn converge uniform´ement vers f sur tout segment inclus dans I, on notera fnCVUTS

−→

I n→+∞

f.

Propri´et´e. Primitivation de la limite d’une suite de fonctions. Soit a∈I.

On suppose que pour toutn ∈N, fn est continue sur I.

SifnCVUTS

−→I n→+∞

f, alors

x7−→

Z x a

fn(t)dt

CVUTS

−→I n→+∞

x7−→

Z x a

f(t)dt

. D´emonstration.

D’abord, la CVUTS de fn vers f montre que, pour tout segment S inclus dans I, f/S est continue, or pour toutx∈I, il existe un segment deI de la forme V ∩I o`u V est un voisinage de x, donc f est continue sur I.

(21)

Suites et s´eries de fonctions 4 D´erivation d’une suite ou d’une s´erie d’applications Pour tout x∈I, posons hn(x) =

Z x a

fn(t)dt eth(x) = Z x

a

f(t)dt.

Soit K un segment inclus dansI. On noteH = [min(K∪ {a}), max(K∪ {a})].H est encore un segment inclus dans I.

Soit n ∈N. Pour tout x∈K, kh(x)−hn(x)k= k

Z x a

f(t)dt− Z x

a

fn(t)dtk

Z max(a,x) min(a,x)

kf(t)−fn(t)kdt≤ |a−x|sup

t∈H

kf(t)−fn(t)k, donc en notantl la longueur de H, pour tout x∈K,

kh(x)−hn(x)k ≤lsup

t∈H

kf(t)−fn(t)k. On en d´eduit que pour tout n ∈N, sup

x∈K

kh(x)−hn(x)k ≤lsup

t∈H

kf(t)−fn(t)k −→

n→+∞0, carH est un segment inclus dans I.

Ceci prouve que hn CVUTS

−→I n→+∞

h.

Corollaire. Primitivation de la somme d’une s´erie de fonctions. Soit a∈I.

On suppose que pour toutn ∈N, fn est continue sur I.

SiP

fn CVUTS sur I, alors P

x7−→

Z x a

fn(t)dt

CVUTS sur I, et

+∞

X

n=0

x7−→

Z x a

fn(t)dt

est l’unique primitive de

+∞

X

n=0

fn qui s’annule en a.

D´emonstration.

Exercice.

Th´eor`eme. D´erivation de la limite d’une suite de fonctions.

Hypoth`eses.

Pour tout n∈N, fn est de classe C1, fn

CVS−→

I n→+∞

f et

Il existe h telle quefn0 CVUTS

−→I n→+∞

h.

Conclusion.

f est de classeC1 surI etf0 =h.

D´emonstration.

Fixons a∈I. Pour tout n∈N, fn0 est continue sur I etfn0 CVUTS

−→

I n→+∞

h,

donc d’apr`es le th´eor`eme de primitivation de la limite d’une suite de fonctions, (1) :

x7−→

Z x a

fn0(t)dt

CVUTS

−→I n→+∞

x7−→

Z x a

h(t)dt

. Soit x∈I. Soit n∈N.

fn(x)−fn(a) = Z x

a

fn0(t)dt −→

n→+∞

Z x a

h(t)dt etfn(x)−fn(a) −→

n→+∞f(x)−f(a), donc

´

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