Cours en ligne Maths en Maths Spé
Chapitres Maths en MP, PSI, PC, TSI, PT
Cours en ligne Maths en Maths Spé
Chapitres Maths en MP, PSI, PC, TSI, PT
Suites et séries de fonctions en MP, PC, PSI
Résumé de cours Exercices et corrigés
Exercices et corrigés – Suites et séries de fonctions
1. Études de convergence de suites
Exercice 1
Soit la suite de fonctions définies pour par
sur
et
si
.
Étudier de la convergence simple puis uniforme.
Corrigé de l’exercice 1 :
Étude de la convergence simple
donc
.
Si , il existe
tel que
, alors si
,
,
.
La suite converge simplement vers la fonction nulle.
On remarquera la discontinuité de en
.
Étude de la convergence uniforme
Sur ,
est croissante et varie de 0 à
.
Sur ,
est décroissante (calculer la dérivée sur l’intervalle ouvert) et varie de 0 à
.
alors
,
. alors la suite converge uniformément sur
vers la fonction nulle.
: il est absurde de donner une réponse du type si
converge vers …
Exercice 2
.
Question 1
Étude de la convergence simple et uniforme de la suite .
Question 2
Montrer que la limite est dérivable mais que la suite
ne converge pas vers
sur
.
Corrigé de l’exercice 2 :
Question 1 :
Étude de la convergence simple
tend vers 0.
Si
.
La suite converge simplement sur
vers la fonction
.
Étude de la convergence uniforme
Soit pour ,
.
est croissante sur
et décroissante sur
,
,
,
admet 0 pour limite en
.
Donc .
Donc la suite converge uniformément vers la fonction
sur
.
Question 2 :
Il est évident que est dérivable sur
et
.
.
, cette suite ne converge pas vers
. La suite
ne converge pas simplement vers
.
Exercice 3
Pour ,
sur
.
Question 1
Étude de la convergence simple puis uniforme de la suite.
Question 2
Déterminer .
Corrigé de l’exercice 3 :
Question 1 :
Étude de la convergence simple
, la suite
converge vers 0.
Si , la suite
converge vers 0, donc
, puis par croissance comparée,
, la suite
converge simplement vers la fonction nulle sur
.
Étude de la convergence uniforme
On utilise , donc
.
Comme ,
ne converge pas vers 0, car elle est supérieure à une suite de limite égale à
. Il n’y a pas de convergence uniforme.
Question 2 :
En utilisant si et
.
Donc .
2. Exercices théoriques sur les suites et séries de fonctions
Exercice 4
Soit une suite de fonctions définies sur
à valeurs dans
.
Question 1
Si la suite converge uniformément sur
et si la suite
converge, la suite
converge uniformément sur
Question 2
Si la suite converge uniformément sur
et si toutes les fonctions
sont continues sur
, la suite
converge uniformément sur
?
Question 3
Si la suite converge uniformément sur tout segment de
, si toutes les fonctions
sont continues sur
et si la suite
converge, la suite
converge uniformément sur
Corrigé de l’exercice 4 :
Question 1 :
Comme la suite converge uniformément vers
sur
:
.
et comme la suite converge vers
:
.
On note et on en déduit que si
, si
,
, donc
.
On en déduit que converge uniformément vers
sur
.
Question 2 :
La suite converge uniformément vers
sur
.
Pour tout , par continuité de
sur
,
admet une limite finie en
.
Par application du théorème de la double limite ,
soit
.
On peut donc appliquer la question 1, puisque la suite converge, donc la suite
converge uniformément sur
.
Question 3 :
Si l’on note ,
Si , donc la suite
converge uniformément sur tout segment de [0 ,\, 1[,
La suite est une suite constante égale à
, elle converge.
Mais la suite ne converge pas uniformément sur
, car sa limite est une fonction discontinue, alors que chaque fonction
est continue sur
.
Exercice 5
Soit une suite de fonctions définies sur
à valeurs dans
.
On suppose que la suite converge uniformément sur
.
Soit une fonction continue sur
à valeurs dans
.
La suite converge uniformément sur
.
Corrigé de l’exercice 5 :
On note la limite uniforme de
sur
.
Pour tout ,
, par passage à la limite dans l’encadrement pour tout
,
.
est continue sur
donc uniformément continue.
tel que si
et
,
.
Comme , il existe
.
Pour tout , donc
, soit
.
On a donc prouvé que converge uniformément vers
sur
.
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3. Théorème de Weierstrass
Exercice 6
Soit une fonction continue sur
à valeurs dans
telle que
. Alors la fonction
est nulle sur
.
Corrigé de l’exercice 6 :
Par combinaison linéaire, pour tout polynôme :
.
Par le théorème de Weirstrass, il existe une suite de fonctions polynomiales telle que
.
donc
La suite converge uniformément vers
sur
. On en déduit que
.
Par unicité de la limite, .
La fonction étant continue sur
, à valeurs positives ou nulles et d’intégrale nulle sur
,
.
Exercice 7 Mines Ponts 2013.
Soit . Soit
une suite d’éléments de
convergeant uniformément vers une fonction
. Démontrer que
est polynomiale.
Corrigé de l’exercice 7 :
On suppose que est une suite d’éléments de
convergeant uniformément vers une fonction
.
Soit . Il existe
, tel que si
,
.
est une fonction polynôme bornée sur
, donc elle est constante.
Il existe tel que
,
.
Puis ,
donc ; si
tend vers
,
.
est une fonction polynomiale.
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4. Convergence simple, normale, uniforme
Exercice 8 :
Soit où
.
Question 1.
La série converge simplement sur quel domaine ?
Question 2
La série converge-t-elle normalement sur ?
Question 3
Pour tout ,
converge normalement sur
.
Question 4
La série ne converge pas uniformément sur .
Question 5
La somme est continue sur
et admet une limite finie en
Question 6
La fonction n’est pas continue en
.
Question 7
Montrer que .
Question 8 (plus compliquée)
a) Soit , on note
.
Montrer que .
Dans les questions b) et c), on fixe.
Soit pour et
.
b) Montrer que .
c) Montrer que .
d) En déduire un encadrement de puis la limite de
à droite en
.
Corrigé de l’exercice 8 :
Question 1:
Si
, donc
diverge grossièrement
Si
, la série converge.
Si
,
, donc
, la série de terme général
converge par domination par une série de Riemann divergente.
Donc la série de terme général converge simplement sur
.
Question 2 :
Si ,
.
est croissante sur
, décroissante sur
,
admet un maximum en
et
et puisque
est à valeurs positives ou nulles sur
.
La série ne converge pas normalement sur .
Question 3 :





donc


Question 4 :
Si .
Comme les fonctions sont à valeurs positives ou nulles,
Comme on somme termes tous supérieurs ou égaux à
,
donc . La suite de terme général
ne converge pas uniformément vers 0.
On en déduit que la série ne converge pas uniformément sur .
Question 5 :
La série
converge normalement donc uniformément sur
pour tout
donc converge uniformément sur tout segment inclus dans
, les fonctions
sont continues, par le théorème de continuité des sommes de séries de fonctions, la somme
de la série est continue sur
.
Étude de la limite en
La série
converge normalement donc uniformément sur
.
Pour tout
,
.
Par le théorème de la double limite, .
Question 6 :
Pour tout ,
.
Donc
Comme
soit
La suite est supérieure à une suite de limite strictement positive, donc elle ne converge pas vers
, donc
n’est pas continue en
.
Question 7 :
La série de terme général
converge normalement sur
et pour tout
,
admet 0 pour limite en
.
Par le théorème de la double limite, admet
pour limite en
.
. On écrit
avec
où
.
Pour tout
.
La fonction
est décroissante sur
, à valeurs positives,
.
Comme si
,
qui est le terme général d’une série géométrique convergente.
Donc converge normalement sur
.
Par le théorème de la double limite,
et on a prouvé que
.
Question 8 :
a/ On utilise donc
et alors
, donc
.
On peut aussi écrire que .
b/
On remarque que est une primitive de
.
Si
,
.
.
Soit ,
est croissante sur
et décroissante sur
.
Si
.
En intégrant sur ,
.
Puis en sommant pour
, par la relation de Chasles,
soit
.
c/ Si
.
En intégrant sur ,
.
Puis en sommant pour
, par la relation de Chasles,
soit .
Puis si
tend vers
, comme
admet 0 pour limite en
,
.
d/ En sommant les inégalités des questions b) et c), sachant que ,
Ce qui donne un encadrement avec
et
Sachant que ,
et
.
Puis comme
,
, donc
.
Il en est de même de .
Alors .
Par encadrement par deux expressions ayant même limite
lorsque
, on a donc prouvé
.
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5. Série de fonctions définie à l’aide d’intégrales
Exercice 9 :
(Mines Ponts PSI 2017)
Soit une fonction continue de
dans
. On définit la suite
par :
.
Question 1
Étudier la convergence uniforme sur tout segment de .
On note .
Question 2
Déterminer à l’aide d’une équation différentielle.
Corrigé de l’exercice 9 :
Question 1 :
Par récurrence immédiate, pour tout
est continue sur
.
Soit
. On note
.
On note .
est vraie par définition de
.
On suppose que
est vraie.
Si
… Si ,
.
… Si ,
.
On a obtenu dans les deux cas : .
La propriété est vérifiée.
Alors
.
Par domination par une série convergente (de somme exponentielle) la série de terme général converge donc
converge normalement donc uniformément sur
.
Question 2 :
On note
la somme de la série. La fonction
est une fonction continue sur
comme limite uniforme sur tout segment d’une série de fonctions continues.
Soit
,
.
.
La série converge normalement sur tout segment, on peut donc intervertir le signe et l’intégrale :
.
.
Par le théorème fondamental de l’intégration, la fonction est une fonction de classe
telle que
.
De plus, .
On résout l’équation différentielle
.
La solution générale de l’équation sans second membre est
où
.
Par la méthode de variation de la constante, la fonction
est solution de l’équation différentielle ssi
Soit ,
est une solution particulière de l’équation différentielle.
La solution générale de l’équation
est donnée par
où
.
Et comme on cherche la solution telle que
, on obtient
et
.
Donc
6. Recherche d’un équivalent en une borne de l’intervalle
Exercice 10 (Zeta)
Soit si .
Montrer que .
Corrigé de l’exercice 10 :
où
On note
et
.
Si
et
,
car la fonction
est décroissante sur
.
donc qui est le terme général d’une série convergente.
Par le théorème de la double limite,
, on a donc prouvé que
.
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- l’intégration sur un intervalle quelconque
- les séries entières
- le dénombrement
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