PSI* — 2020/2021 Le 28/11/2020.
D.S. 3
(4 heures)Le sujet est constitué de quatre exercices indépendants.
Exercice 1
Pour tout entier n≥1et tout réelx, on pose :
un(x) = x n(1 +nx2). 1) Étudier la convergence simple de la série de fonctions un. 2) Étudier les variations de la fonction un.
Que peut-on conclure pour la convergence de un ? La fonction somme S de la série un est-elle continue ? 3) Montrer que S est dérivable en tout pointx= 0.
4) N étant un entier≥1, on poseSN(x) =
N
n=1
un(x).
a)Montrer qu’il existe un réel α≥0(dépendant de N) tel que, pour 0<|x|< α, on ait S(x)
x ≥ SN(x) x ≥ 1
2
N
n=1
1 n. b)S est-elle dérivable en 0 ?
Exercice 2 : plusieurs expressions de la constante d’Euler
1) Retrouver rapidement l’existence de
γ= lim
p→∞
p
n=1
1 n−lnp et montrer que γpeut également s’écrire :
γ=
+∞
n=1
1
n−ln 1 + 1
n .
2) Soit x∈[0,1] ; établir :
∀p∈N∗ ∀t∈[0, x] 1 1 +t =
p
k=0
(−1)ktk+(−1)p+1tp+1 1 +t . En déduire :
ln (1 +x) =
+∞
k=1
(−1)k−1xk
k .
3) Montrer que γ peut encore s’écrire :
γ=
+∞
n=1 +∞
k=2
(−1)k knk .
La fin du problème s’attache à intervertir les deux sommations ci-dessus.
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4) Pourx∈[1,+∞[, on note E(x) la partie entière dex et l’on pose
∀k≥2 fk(x) = (−1)k k
E(x)
n=1
1 nk. a)Montrer que la fonction ζ :α→
+∞
n=1
1
nα est définie et décroissante sur ]1,+∞[.
Montrer que, pourx fixé dans[1,+∞[, la suite (|fk(x)|)k≥2 converge vers0 en décroissant.
b)En déduire que la série de fonctions
k≥2
fk est uniformément convergente sur [1,+∞[.
5) Montrer que :
γ= lim
x→+∞
+∞
k=2
fk(x). En déduire enfin que :
γ=
+∞
k=2
(−1)k k ζ(k).
Exercice 3 : encore la fonction
ζ!
On posera, dans tout le problème, pour tout entier naturel non nul N et pour tout réels >0: SN(s) =
N
n=1
(−1)n−1
ns , HN(s) =
N
n=1
1
ns , KN(s) =
N
n=1
1 (2n−1)s.
1) Définition de ζ : soients >0 etnun entier naturel non nul. Posons : un(s) = 1
ns −
n+1 n
dt ts. a)Montrer que la fonction un ainsi définie est continue sur R+∗. b)À l’aide d’une intégration par parties, montrer que :
0≤un(s)≤ s ns+1.
c)Prouver que la série de fonctions de terme général un converge simplement sur ]0,+∞[ et que sa somme, qui sera notée U dans la suite, est une fonction continue sur]0,+∞[.
d)Prouver que, pour tout s∈]0,1[∪]1,+∞[, la suite de terme général HN(s)−N1−s
1−s
possède une limite, notée ζ(s), que l’on exprimera à l’aide deU(s).
e)Prouver que la suite de terme général HN(1)−lnN admet une limite strictement positive notéeγ dans la suite du problème.
2) Autre expression de ζ
a)Soit sun réel strictement positif ; prouver que la série de fonctions de la variable réelles
n≥1
(−1)n−1 ns
définit sur ]0,+∞[une fonction de classe C1 qui sera notéef dans la suite.
b)ExprimerS2N(s) à l’aide deH2N(s) etHN(s). En déduire, sis∈]0,1[∪]1,+∞[ : f(s) = 1− 1
2s−1 ·ζ(s) .
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c)En déduire, en décomposant autrement S2N(s)que, pour les mêmes valeurs de s, la suite de terme général
KN(s)− N1−s 2s(1−s) admet une limite que l’on exprimera à l’aide deζ(s).
3) Étude au voisinage de +∞: quelle est la limite def(s) lorsques tend vers+∞? 4) Étude au voisinage de 1
a)Montrer que, lorsque sest au voisinage de 1 : ζ(s) = 1
s−1 +γ+o(1). b)Prouver, en calculant f′(1)de deux façons, que :
∞
n=1
(−1)nlnn
n = γ−ln 2
2 ·ln 2.
Exercice 4 : recherche d’équivalents
Soient deux suites (an) et(bn) à termes strictement positifs et telles que an∼
∞bn. On suppose d’autre part que la fonction f :t→
∞ n=0
antnest définie sur R. 1) Quel est l’ensemble de définition de la fonction g:t→
∞ n=0
bntn ? 2) Justifier l’existence d’une suite (γn) convergeant vers 0 et telle que :
∀n∈N an =bn(1 +γn).
3) Soit m∈N.
a)Prouver l’existence de
δm= sup
n≥m+1|γn|. b)Montrer que :
∀t >0 ∀m∈N f(t)
g(t) −1 ≤δm+ 1 bm+1tm+1
m n=0
|γn|bntn.
c)En déduire que :
f(t) ∼
t→+∞g(t). 4) Application : soithla fonction définie par
h:t→
∞ n=0
cntn où cn=
1 + 1 n+ 1
n+1
n! .
a)Déterminer l’ensemble de définition de la fonction h.
b)Trouver un équivalent de h(t) au voisinage de+∞.
Il n’est jamais problème qui n’ait un cadeau pour toi entre ses mains.
Tu cherches des problèmes parce que tu as besoin de leurs cadeaux.
Richard Bach