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Exercices corrigés — Suites & séries de fonctions

Analyse · 18 exercices-types du palier socle

L2L3Maths ingénieurCAPES

Chaque exercice donne l'énoncé, des indices progressifs et la correction rédigée étape par étape. Ouvre les blocs seulement après avoir cherché.

Revoir le cours : Suites & séries de fonctions Définitions, méthodes et exemples corrigés du chapitre.

La suite x^n : simple sur [0,1], uniforme sur [0,a]

DémonstrationDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈[0,1]x\in[0,1], on pose fn(x)=xnf_n(x)=x^n. 1. Déterminer la limite simple ff de (fn)(f_n) sur [0,1][0,1]. Est-elle continue ? 2. Calculer ∥fn−f∥∞\lVert f_n-f\rVert_\infty sur [0,1][0,1] et conclure quant à la convergence uniforme. Retrouver la conclusion avec la suite xn=1−1nx_n=1-\dfrac1n. 3. Montrer que (fn)(f_n) converge uniformément vers 00 sur [0,a][0,a] pour tout a∈[0,1[a\in[0,1[, et donner, pour a=0,9a=0{,}9, le premier rang nn tel que ∥fn∥∞<10−3\lVert f_n\rVert_\infty<10^{-3}.

Indices (3)

À xx fixé dans [0,1[[0,1[, xnx^n est une suite géométrique de raison x<1x<1.

Sur [0,1[[0,1[, f=0f=0 : le sup de xnx^n sur [0,1[[0,1[ se lit sur la monotonie de x↦xnx\mapsto x^n.

(1−1n)n=enln⁡(1−1/n)\left(1-\tfrac1n\right)^n=e^{n\ln(1-1/n)} : développer ln⁡(1−1/n)\ln(1-1/n).

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Deux questions, deux convergences. « À xx fixé, que fait fn(x)f_n(x) ? » est la convergence simple : on gèle xx et on regarde une suite de nombres. « L'écart maximal entre fnf_n et sa limite tend-il vers 00 ? » est la convergence uniforme : on regarde ∥fn−f∥∞=sup⁡x∣fn(x)−f(x)∣\lVert f_n-f\rVert_\infty=\sup_x\lvert f_n(x)-f(x)\rvert, un nombre par valeur de nn.

Pour xnx^n, les deux réponses diffèrent, et c'est l'exemple à retenir : la convergence simple a lieu, la limite est discontinue, et la convergence uniforme échoue — sur [0,1][0,1]. Sur [0,a][0,a] avec a<1a<1, elle a lieu. Le domaine fait partie de l'énoncé.

👉 Méthode générale, à rejouer sur chaque exemple du chapitre : (1) limite simple, point par point ; (2) norme sup de fn−ff_n-f, par l'étude de la fonction fn−ff_n-f ou par une minoration le long d'une suite (xn)(x_n) bien choisie.

Question 1 : la limite simple, point par point

Fixons x∈[0,1]x\in[0,1].

  • Si 0≤x<10\leq x<1 : (xn)(x^n) est une suite géométrique de raison x∈[0,1[x\in[0,1[, donc xn→0x^n\to0.
  • Si x=1x=1 : 1n=11^n=1 pour tout nn, donc fn(1)→1f_n(1)\to1.

La limite simple est donc la fonction

f(x)={0si 0≤x<1,1si x=1.f(x)=\begin{cases}0&\text{si }0\leq x<1,\\1&\text{si }x=1.\end{cases}

Elle est discontinue en 11 : f(x)→0f(x)\to0 quand x→1−x\to1^- alors que f(1)=1f(1)=1. Chaque fnf_n est pourtant continue (un polynôme). La convergence simple ne transmet donc pas la continuité — c'est le premier signal qu'elle est trop faible pour l'analyse.

fn→ simplement f=1{1} sur [0,1],f discontinue en 1\boxed{f_n\xrightarrow{\ \text{simplement}\ }f=\mathbb{1}_{\{1\}}\ \text{sur }[0,1],\quad f\text{ discontinue en }1}
Question 2 : la norme sup, puis la suite qui réfute

Sur [0,1[[0,1[, f=0f=0 et ∣fn(x)−f(x)∣=xn\lvert f_n(x)-f(x)\rvert=x^n ; en x=1x=1, fn(1)−f(1)=0f_n(1)-f(1)=0. Donc

∥fn−f∥∞=sup⁡x∈[0,1[xn.\lVert f_n-f\rVert_\infty=\sup_{x\in[0,1[}x^n.

La fonction x↦xnx\mapsto x^n est croissante sur [0,1[[0,1[ et tend vers 11 quand x→1−x\to1^- : la borne supérieure vaut 11, et elle n'est pas atteinte (un sup sur un intervalle ouvert en 11 peut ne pas être un maximum). Ainsi ∥fn−f∥∞=1\lVert f_n-f\rVert_\infty=1 pour tout nn : elle ne tend pas vers 00.

∥fn−f∥∞=1 pour tout n : pas de convergence uniforme sur [0,1]\boxed{\lVert f_n-f\rVert_\infty=1\ \text{pour tout }n\ :\ \text{pas de convergence uniforme sur }[0,1]}

La méthode de la suite. Sans calculer le sup, on peut choisir xn=1−1n∈[0,1[x_n=1-\dfrac1n\in[0,1[ : alors

fn(xn)−f(xn)=(1−1n)n=enln⁡(1−1/n)→n→∞e−1≈0,368,f_n(x_n)-f(x_n)=\left(1-\frac1n\right)^n=e^{n\ln(1-1/n)}\xrightarrow[n\to\infty]{}e^{-1}\approx0{,}368,
car nln⁡(1−1n)=n(−1n+O ⁣(1n2))→−1n\ln\left(1-\tfrac1n\right)=n\left(-\tfrac1n+O\!\left(\tfrac1{n^2}\right)\right)\to-1. Comme ∥fn−f∥∞≥∣fn(xn)−f(xn)∣→e−1≠0\lVert f_n-f\rVert_\infty\geq\lvert f_n(x_n)-f(x_n)\rvert\to e^{-1}\neq0, la convergence n'est pas uniforme. Pour n=10n=10 : 0,910≈0,34870{,}9^{10}\approx0{,}3487, déjà proche de e−1e^{-1}.

ℹ️ Les deux arguments concluent, mais ils ne disent pas la même chose : le sup vaut 11, la suite ne donne que « au moins e−1e^{-1} ». La minoration suffit à réfuter ; le calcul exact est nécessaire pour prouver une convergence uniforme.

Question 3 : sur [0,a], le sup s'écrase

Soit a∈[0,1[a\in[0,1[. Sur [0,a][0,a] la limite simple est 00, et par croissance de x↦xnx\mapsto x^n,

∥fn∥∞,[0,a]=sup⁡x∈[0,a]xn=an→n→∞0,\lVert f_n\rVert_{\infty,[0,a]}=\sup_{x\in[0,a]}x^n=a^n\xrightarrow[n\to\infty]{}0,
puisque 0≤a<10\leq a<1. La convergence est uniforme sur [0,a][0,a] — et ce pour chaque a<1a<1, sans être uniforme sur [0,1[[0,1[ ni sur [0,1][0,1]. On dit que (fn)(f_n) converge uniformément sur tout segment de [0,1[[0,1[, ou localement uniformément sur [0,1[[0,1[.

Le rang pour a=0,9a=0{,}9. On veut 0,9n<10−30{,}9^n<10^{-3}, soit nln⁡0,9<−3ln⁡10n\ln0{,}9<-3\ln10, soit n>3ln⁡10−ln⁡0,9≈65,6n>\dfrac{3\ln10}{-\ln0{,}9}\approx65{,}6. Le premier rang est donc n=66n=66, ce que confirme le calcul : 0,965≈0,001061≥10−30{,}9^{65}\approx0{,}001061\geq10^{-3} et 0,966≈0,000955<10−30{,}9^{66}\approx0{,}000955<10^{-3}. À titre de comparaison, pour a=0,5a=0{,}5, dix termes suffisent largement : 0,510≈0,0009770{,}5^{10}\approx0{,}000977.

CU sur [0,a] (a<1) car ∥fn∥∞=an→0 ; pour a=0,9, n=66\boxed{\text{CU sur }[0,a]\ (a<1)\text{ car }\lVert f_n\rVert_\infty=a^n\to0\ ;\ \text{pour }a=0{,}9,\ n=66}
Rappel de cours

Convergence simple. fn→ff_n\to f simplement sur II si pour tout x∈Ix\in I, fn(x)→f(x)f_n(x)\to f(x). Le rang à partir duquel ∣fn(x)−f(x)∣<ε\lvert f_n(x)-f(x)\rvert<\varepsilon peut dépendre de xx — ici, près de 11, il devient arbitrairement grand.

Convergence uniforme. fn→ff_n\to f uniformément sur II si ∥fn−f∥∞=sup⁡I∣fn−f∣→0\lVert f_n-f\rVert_\infty=\sup_I\lvert f_n-f\rvert\to0 : un même rang pour tous les xx.

Uniforme ⇒\Rightarrow simple ; la réciproque est fausse, et xnx^n sur [0,1][0,1] en est le contre-exemple de référence. Contraposée utile : si la limite simple de fonctions continues n'est pas continue, la convergence n'est pas uniforme (section B).

L'erreur classique

⚠️ Prendre la limite du sup pour le sup de la limite. « xn→0x^n\to0 pour tout x<1x<1, donc le sup tend vers 00 » est faux : le sup se calcule à nn fixé, sur tous les xx à la fois, et il vaut 11 quel que soit nn. Une limite simple ne dit rien de ∥fn−f∥∞\lVert f_n-f\rVert_\infty.

⚠️ Oublier de préciser le domaine. « xnx^n converge uniformément » n'a pas de sens ; « uniformément sur [0,0,9][0,0{,}9] » en a un, et « sur [0,1][0,1] » est faux. Toute conclusion de ce chapitre porte un domaine.

⚠️ Croire que le sup est atteint. Sur [0,1[[0,1[, sup⁡xn=1\sup x^n=1 n'est la valeur de xnx^n en aucun point ; écrire « il existe xx tel que xn=1x^n=1 » serait faux. Dire borne supérieure, et ne conclure « maximum » que sur un segment avec une fonction continue.

À retenir

La convergence uniforme se lit sur ∥fn−f∥∞\lVert f_n-f\rVert_\infty, jamais sur des limites point par point. Deux outils : le calcul du sup (qui prouve tout) et la minoration par une suite xnx_n (qui réfute en une ligne).

Le domaine est une donnée. xnx^n : uniforme sur [0,a][0,a] pour tout a<1a<1, pas sur [0,1][0,1]. C'est la forme la plus fréquente du chapitre — uniforme sur tout segment, pas sur l'intervalle entier.

Réponse. f=1{1}f=\mathbb{1}_{\{1\}} (discontinue) ; ∥fn−f∥∞=1\lVert f_n-f\rVert_\infty=1 (et fn(1−1n)→e−1≈0,368f_n(1-\tfrac1n)\to e^{-1}\approx0{,}368) : pas de CU sur [0,1][0,1] ; CU sur [0,a][0,a] avec ∥fn∥∞=an\lVert f_n\rVert_\infty=a^n ; pour a=0,9a=0{,}9, n=66n=66 (0,965≈0,0010610{,}9^{65}\approx0{,}001061, 0,966≈0,0009550{,}9^{66}\approx0{,}000955). (Recoupement : 0,910≈0,34870{,}9^{10}\approx0{,}3487 ✓)
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Calculer le sup : n x e^{-nx} sur [0,1]

CalculDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈[0,1]x\in[0,1], on pose fn(x)=nxe−nxf_n(x)=nxe^{-nx}. 1. Montrer que (fn)(f_n) converge simplement vers 00 sur [0,1][0,1]. 2. Étudier les variations de fnf_n et calculer ∥fn∥∞\lVert f_n\rVert_\infty. La convergence est-elle uniforme sur [0,1][0,1] ? 3. Montrer qu'elle est uniforme sur [a,1][a,1] pour tout a∈]0,1]a\in]0,1], et calculer ∥fn∥∞,[1/2,1]\lVert f_n\rVert_{\infty,[1/2,1]} pour n=10n=10 et n=20n=20.

Indices (3)

À x>0x>0 fixé, nx e−nxnx\,e^{-nx} est de la forme te−tt e^{-t} avec t=nx→+∞t=nx\to+\infty.

fn′(x)=ne−nx(1−nx)f_n'(x)=ne^{-nx}(1-nx) : le maximum est en x=1nx=\dfrac1n.

Pour n>1an>\dfrac1a, le point 1n\dfrac1n est à gauche de aa : sur [a,1][a,1], fnf_n est décroissante.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Ici la limite simple est continue (c'est 00), et pourtant la convergence n'est pas uniforme. La contraposée du théorème de continuité ne peut donc rien dire : il faut calculer. C'est l'exercice de la première méthode — étudier fnf_n pour lire sa norme sup — et il montre qu'un sup peut rester constant (e−1e^{-1}) pendant que le point où il est atteint (1n\tfrac1n) file vers 00.

👉 Le mécanisme est celui d'une bosse de hauteur fixe qui glisse vers l'origine : à chaque x>0x>0 fixé, la bosse finit par passer et fn(x)→0f_n(x)\to0 ; mais à chaque instant nn, elle est quelque part, de hauteur e−1e^{-1}. La convergence simple regarde un point, la convergence uniforme regarde la bosse.

Question 1 : convergence simple vers zéro
  • En x=0x=0 : fn(0)=0f_n(0)=0 pour tout nn.
  • Pour x∈]0,1]x\in]0,1] fixé : posons t=nxt=nx, qui tend vers +∞+\infty avec nn. Alors fn(x)=te−t→0f_n(x)=te^{-t}\to0 par croissances comparées (e−te^{-t} l'emporte sur tt).

Donc fn→0f_n\to0 simplement sur [0,1][0,1], et la limite est continue. Exemple chiffré : f10 ⁣(12)=5e−5≈0,0337f_{10}\!\left(\tfrac12\right)=5e^{-5}\approx0{,}0337, f20 ⁣(12)=10e−10≈4,5×10−4f_{20}\!\left(\tfrac12\right)=10e^{-10}\approx4{,}5\times10^{-4}.

fn→0 simplement sur [0,1]\boxed{f_n\to0\ \text{simplement sur }[0,1]}
Question 2 : le sup vaut e⁻¹, il ne bouge pas

fnf_n est dérivable sur [0,1][0,1] et

fn′(x)=ne−nx−n2xe−nx=ne−nx(1−nx).f_n'(x)=ne^{-nx}-n^2xe^{-nx}=ne^{-nx}(1-nx).
Le signe est celui de 1−nx1-nx : fnf_n croît sur [0,1n]\left[0,\tfrac1n\right] et décroît sur [1n,1]\left[\tfrac1n,1\right]. Son maximum est atteint en xn=1nx_n=\tfrac1n et vaut
fn ⁣(1n)=n⋅1n⋅e−1=e−1≈0,368.f_n\!\left(\frac1n\right)=n\cdot\frac1n\cdot e^{-1}=e^{-1}\approx0{,}368.
Comme fn≥0f_n\geq0, on a ∥fn−0∥∞=∥fn∥∞=e−1\lVert f_n-0\rVert_\infty=\lVert f_n\rVert_\infty=e^{-1}, indépendant de nn. Il ne tend pas vers 00 :

∥fn∥∞=e−1 pour tout n : pas de convergence uniforme sur [0,1]\boxed{\lVert f_n\rVert_\infty=e^{-1}\ \text{pour tout }n\ :\ \text{pas de convergence uniforme sur }[0,1]}

ℹ️ Le point du maximum xn=1nx_n=\tfrac1n tend vers 00 — vers un point où toutes les fnf_n s'annulent. La bosse se réfugie contre l'origine sans jamais s'aplatir. La suite xn=1nx_n=\tfrac1n est exactement celle qu'on aurait choisie pour la « seconde méthode » : fn(xn)=e−1f_n(x_n)=e^{-1}.

Question 3 : loin de zéro, tout va bien

Soit a∈]0,1]a\in]0,1]. Dès que n>1an>\tfrac1a, on a 1n<a\tfrac1n<a, donc fnf_n est décroissante sur [a,1][a,1] et

∥fn∥∞,[a,1]=fn(a)=nae−na→n→∞0\lVert f_n\rVert_{\infty,[a,1]}=f_n(a)=nae^{-na}\xrightarrow[n\to\infty]{}0
(croissances comparées, avec t=na→+∞t=na\to+\infty). La convergence est uniforme sur [a,1][a,1] pour tout a>0a>0 : encore une convergence uniforme sur tout segment de ]0,1]]0,1], mais pas sur [0,1][0,1].

Pour a=12a=\tfrac12 : ∥f10∥∞,[1/2,1]=f10 ⁣(12)=5e−5≈0,0337\lVert f_{10}\rVert_{\infty,[1/2,1]}=f_{10}\!\left(\tfrac12\right)=5e^{-5}\approx0{,}0337 et ∥f20∥∞,[1/2,1]=10e−10≈4,5×10−4\lVert f_{20}\rVert_{\infty,[1/2,1]}=10e^{-10}\approx4{,}5\times10^{-4} — à comparer aux 0,3680{,}368 que vaut le sup sur [0,1][0,1] quel que soit nn.

CU sur [a,1] (a>0) : ∥fn∥∞,[a,1]=nae−na→0\boxed{\text{CU sur }[a,1]\ (a>0)\ :\ \lVert f_n\rVert_{\infty,[a,1]}=nae^{-na}\to0}
Rappel de cours

Calculer une norme sup. Sur un segment, une fonction continue atteint son maximum : on dérive fn−ff_n-f, on dresse le tableau de variations, et ∥fn−f∥∞\lVert f_n-f\rVert_\infty est la plus grande des valeurs absolues aux points critiques et aux bornes.

Le sup peut être constant alors que la fonction tend vers 00 en chaque point : c'est le cas dès que le point du maximum se déplace vers un bord ou vers un point où la limite s'annule. La convergence uniforme sur [a,1][a,1] pour tout a>0a>0 sans convergence uniforme sur [0,1][0,1] est la signature de ce phénomène.

L'erreur classique

⚠️ Conclure « limite continue, donc convergence uniforme ». Le théorème dit : uniforme ⇒\Rightarrow limite continue. Sa contraposée réfute ; sa réciproque est fausse, et cet exercice en est la preuve : limite 00, continue, convergence non uniforme.

⚠️ Évaluer le sup en un point fixé. Écrire « fn(0,5)→0f_n(0{,}5)\to0 donc ∥fn∥∞→0\lVert f_n\rVert_\infty\to0 » confond une valeur avec le maximum. Le maximum est en 1n\tfrac1n, pas en 0,50{,}5.

⚠️ Oublier que le point critique sort de l'intervalle. Sur [a,1][a,1], pour n≤1an\leq\tfrac1a, le maximum de fnf_n est bien à l'intérieur ; ce n'est qu'à partir de n>1an>\tfrac1a que fnf_n décroît sur tout [a,1][a,1]. Le raisonnement « pour nn assez grand » n'est pas décoratif.

À retenir

Une bosse qui glisse ne s'aplatit pas. nxe−nxnxe^{-nx} tend vers 00 partout et garde un sup égal à e−1e^{-1} : convergence simple, pas uniforme sur [0,1][0,1], uniforme sur tout [a,1][a,1].

Méthode. Dériver fn−ff_n-f, localiser le maximum xnx_n, calculer fn(xn)−f(xn)f_n(x_n)-f(x_n) : si ce nombre ne tend pas vers 00, pas de convergence uniforme ; s'il y tend, elle a lieu. Même schéma pour la « vraie » bosse glissante de la section B, où l'aire, elle aussi, ne s'aplatit pas.

Réponse. CS vers 00 ; fn′=ne−nx(1−nx)f_n'=ne^{-nx}(1-nx), maximum e−1≈0,368e^{-1}\approx0{,}368 en 1n\tfrac1n : pas de CU sur [0,1][0,1] ; CU sur [a,1][a,1] (a>0a>0) avec ∥fn∥=nae−na→0\lVert f_n\rVert=nae^{-na}\to0 ; sur [12,1][\tfrac12,1] : 5e−5≈0,03375e^{-5}\approx0{,}0337 (n=10n=10), 10e−10≈4,5×10−410e^{-10}\approx4{,}5\times10^{-4} (n=20n=20). (Recoupement : fn(1/n)=e−1f_n(1/n)=e^{-1} ✓)
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Une limite uniforme de fonctions C¹ qui n'est pas dérivable

DémonstrationDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈Rx\in\mathbb{R}, on pose fn(x)=x2+1nf_n(x)=\sqrt{x^2+\dfrac1n}. 1. Déterminer la limite simple ff de (fn)(f_n) sur R\mathbb{R}. 2. Montrer que 0≤fn(x)−f(x)≤1n0\leq f_n(x)-f(x)\leq\dfrac1{\sqrt n} pour tout xx, avec égalité en x=0x=0, et conclure quant à la convergence uniforme sur R\mathbb{R}. À partir de quel rang a-t-on ∥fn−f∥∞<10−2\lVert f_n-f\rVert_\infty<10^{-2} ? 3. Montrer que chaque fnf_n est de classe C1\mathcal{C}^1 sur R\mathbb{R}. La limite l'est-elle ?

Indices (3)

x2+1/n−∣x∣\sqrt{x^2+1/n}-\lvert x\rvert : multiplier et diviser par la quantité conjuguée.

Le dénominateur x2+1/n+∣x∣\sqrt{x^2+1/n}+\lvert x\rvert est minimal en x=0x=0.

∣x∣\lvert x\rvert n'est pas dérivable en 00 : taux −1-1 à gauche, 11 à droite.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Un exemple positif, et une mise en garde. Positif : la convergence est uniforme sur R\mathbb{R} tout entier, sans restriction à un segment — la première fois dans ce chapitre. Mise en garde : chaque fnf_n est une fonction lisse (C1\mathcal{C}^1, et même C∞\mathcal{C}^\infty), la limite ∣x∣\lvert x\rvert a un coin en 00. La convergence uniforme transmet la continuité (section B) ; elle ne transmet pas la dérivabilité, et il n'existe aucun théorème qui le ferait sans hypothèse sur les dérivées.

👉 Techniquement, c'est l'exercice de la quantité conjuguée : pour comparer A\sqrt{A} et B\sqrt{B}, on écrit A−B=A−BA+B\sqrt A-\sqrt B=\dfrac{A-B}{\sqrt A+\sqrt B}, ce qui transforme une différence de racines en un quotient dont on contrôle le dénominateur.

Question 1 : la limite simple est la valeur absolue

À xx fixé, x2+1n→x2x^2+\tfrac1n\to x^2, et la racine carrée est continue sur [0,+∞[[0,+\infty[ : fn(x)→x2=∣x∣f_n(x)\to\sqrt{x^2}=\lvert x\rvert.

fn→f=∣ ⋅ ∣ simplement sur R\boxed{f_n\to f=\lvert\,\cdot\,\rvert\ \text{simplement sur }\mathbb{R}}

La limite est continue, ce qui ne prouve rien pour l'instant (A2 vient de le montrer) : il faut estimer l'écart.

Question 2 : la quantité conjuguée donne le sup

Pour tout xx, comme x2+1n>x2x^2+\tfrac1n>x^2, on a fn(x)>∣x∣f_n(x)>\lvert x\rvert, donc fn(x)−f(x)≥0f_n(x)-f(x)\geq0. Et par la quantité conjuguée,

fn(x)−∣x∣=x2+1n−x2=(x2+1n)−x2x2+1n+∣x∣=1/nx2+1n+∣x∣.f_n(x)-\lvert x\rvert=\sqrt{x^2+\tfrac1n}-\sqrt{x^2}=\frac{\left(x^2+\tfrac1n\right)-x^2}{\sqrt{x^2+\tfrac1n}+\lvert x\rvert}=\frac{1/n}{\sqrt{x^2+\tfrac1n}+\lvert x\rvert}.
Le dénominateur est minoré par 1n=1n\sqrt{\tfrac1n}=\dfrac1{\sqrt n} (on abaisse x2x^2 à 00 et ∣x∣\lvert x\rvert à 00), avec égalité en x=0x=0. D'où
0≤fn(x)−f(x)≤1/n1/n=1n,fn(0)−f(0)=1n.0\leq f_n(x)-f(x)\leq\frac{1/n}{1/\sqrt n}=\frac1{\sqrt n},\qquad f_n(0)-f(0)=\frac1{\sqrt n}.
La borne est atteinte : ∥fn−f∥∞=1n→0\lVert f_n-f\rVert_\infty=\dfrac1{\sqrt n}\to0.

∥fn−f∥∞=1n : convergence uniforme sur R tout entier\boxed{\lVert f_n-f\rVert_\infty=\frac1{\sqrt n}\ :\ \text{convergence uniforme sur }\mathbb{R}\text{ tout entier}}

Le rang. 1n<10−2\dfrac1{\sqrt n}<10^{-2} équivaut à n>100\sqrt n>100, soit n>104n>10^4 : le premier rang est n=10 001n=10\,001 — pour n=10 000n=10\,000, l'écart vaut exactement 0,010{,}01, pas strictement moins. Et ∥f100−f∥∞=110=0,1\lVert f_{100}-f\rVert_\infty=\dfrac1{10}=0{,}1 : à n=100n=100, la courbe de fnf_n est dans le tube de largeur 0,10{,}1 autour de ∣x∣\lvert x\rvert, sur toute la droite réelle.

Question 3 : lisse à chaque étape, anguleuse à la limite

Comme x2+1n≥1n>0x^2+\tfrac1n\geq\tfrac1n>0, la fonction fnf_n est la composée de x↦x2+1nx\mapsto x^2+\tfrac1n (polynôme) par la racine carrée, dérivable sur ]0,+∞[]0,+\infty[ : fnf_n est dérivable sur R\mathbb{R}, et

fn′(x)=2x2x2+1n=xx2+1n,f_n'(x)=\frac{2x}{2\sqrt{x^2+\tfrac1n}}=\frac{x}{\sqrt{x^2+\tfrac1n}},
fonction continue. Donc fn∈C1(R)f_n\in\mathcal{C}^1(\mathbb{R}) (et même C∞\mathcal{C}^\infty, le radicande ne s'annulant jamais).

La limite f(x)=∣x∣f(x)=\lvert x\rvert, elle, n'est pas dérivable en 00 : son taux d'accroissement ∣h∣h\dfrac{\lvert h\rvert}h vaut −1-1 pour h<0h<0 et 11 pour h>0h>0. On a donc une suite de fonctions C1\mathcal{C}^1 convergeant uniformément sur R\mathbb{R} vers une fonction non dérivable.

fn∈C1(R) pour tout n, mais f=∣ ⋅ ∣ n’est pas deˊrivable en 0\boxed{f_n\in\mathcal{C}^1(\mathbb{R})\ \text{pour tout }n,\ \text{mais }f=\lvert\,\cdot\,\rvert\text{ n'est pas dérivable en }0}

ℹ️ Regardez les dérivées : fn′(x)=xx2+1/nf_n'(x)=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+1/n}} tend simplement vers sgn⁡(x)\operatorname{sgn}(x) (avec fn′(0)=0f_n'(0)=0), une fonction discontinue — donc (fn′)(f_n') ne converge pas uniformément. C'est exactement l'hypothèse qui manque au théorème de dérivation de la section C : il exige la convergence uniforme des dérivées.

Rappel de cours

Convergence uniforme sur R\mathbb{R}. Rien n'impose un segment : on a bien ∥fn−f∥∞→0\lVert f_n-f\rVert_\infty\to0 avec le sup pris sur toute la droite. Ce qui l'a rendu possible, c'est une majoration ∣fn(x)−f(x)∣≤εn\lvert f_n(x)-f(x)\rvert\leq\varepsilon_n indépendante de xx.

Ce que la convergence uniforme ne transmet pas. La dérivabilité. Le théorème de dérivation (section C) demande la convergence uniforme de (fn′)(f_n') sur tout segment, plus la convergence de (fn(x0))(f_n(x_0)) en un point.

L'erreur classique

⚠️ « Les fnf_n sont dérivables et convergent uniformément, donc ff est dérivable et f′=lim⁡fn′f'=\lim f_n'. » Faux, et cet exercice est le contre-exemple canonique. La convergence uniforme des fnf_n ne contrôle pas les pentes : deux fonctions à distance uniforme 10−610^{-6} peuvent avoir des dérivées très différentes.

⚠️ Majorer par une borne qui dépend de xx. Écrire fn(x)−f(x)≤1/n2∣x∣f_n(x)-f(x)\leq\dfrac{1/n}{2\lvert x\rvert} (en abaissant seulement x2+1/n\sqrt{x^2+1/n} à ∣x∣\lvert x\rvert) est vrai pour x≠0x\neq0 mais inutile : la borne explose en 00. Pour une convergence uniforme, il faut une borne uniforme — d'où le choix de minorer le dénominateur par 1n\tfrac1{\sqrt n}.

À retenir

Quantité conjuguée : A−B=A−BA+B\sqrt A-\sqrt B=\dfrac{A-B}{\sqrt A+\sqrt B}, l'outil pour comparer deux racines.

x2+1/n→∣x∣\sqrt{x^2+1/n}\to\lvert x\rvert uniformément sur R\mathbb{R}, avec ∥fn−f∥∞=1n\lVert f_n-f\rVert_\infty=\tfrac1{\sqrt n} : l'exemple à citer chaque fois qu'on veut rappeler que « uniforme » ne veut pas dire « dérivable ».

Réponse. f=∣x∣f=\lvert x\rvert ; 0≤fn−f=1/nx2+1/n+∣x∣≤1n0\leq f_n-f=\dfrac{1/n}{\sqrt{x^2+1/n}+\lvert x\rvert}\leq\dfrac1{\sqrt n}, égalité en 00 : CU sur R\mathbb{R}, ∥fn−f∥∞=1n\lVert f_n-f\rVert_\infty=\tfrac1{\sqrt n} (0,10{,}1 pour n=100n=100), <10−2<10^{-2} dès n=10 001n=10\,001 ; fn∈C1f_n\in\mathcal{C}^1 (fn′=x/x2+1/nf_n'=x/\sqrt{x^2+1/n}), ff non dérivable en 00.
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x^n(1−x) : le facteur qui tue le point 1

CalculDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈[0,1]x\in[0,1], on pose fn(x)=xn(1−x)f_n(x)=x^n(1-x). 1. Montrer que (fn)(f_n) converge simplement vers 00 sur [0,1][0,1]. 2. Calculer ∥fn∥∞\lVert f_n\rVert_\infty et montrer que ∥fn∥∞≤1n+1\lVert f_n\rVert_\infty\leq\dfrac1{n+1}. En déduire la convergence uniforme sur [0,1][0,1]. Donner les valeurs exactes pour n=1,2,3n=1,2,3. 3. Calculer ∫01fn(x) dx\displaystyle\int_0^1f_n(x)\,\mathrm{d}x et vérifier qu'elle tend vers 00. Comparer avec xnx^n (exercice A1).

Indices (3)

fn′(x)=xn−1(n−(n+1)x)f_n'(x)=x^{n-1}\bigl(n-(n+1)x\bigr) : le maximum est en x=nn+1x=\dfrac n{n+1}.

(nn+1)n≤1\left(\dfrac n{n+1}\right)^n\leq1.

∫01xn dx−∫01xn+1 dx\displaystyle\int_0^1x^n\,\mathrm{d}x-\int_0^1x^{n+1}\,\mathrm{d}x.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le facteur (1−x)(1-x) change tout. xnx^n ne converge pas uniformément sur [0,1][0,1] parce qu'en x=1x=1 il vaut 11 (A1). En le multipliant par (1−x)(1-x), on force la valeur 00 en 11 — et cette fois la convergence est uniforme sur [0,1][0,1] tout entier. Mais ce n'est pas gratuit : il faut le vérifier en calculant le sup, car le maximum de xn(1−x)x^n(1-x) se déplace vers 11 quand nn grandit, exactement comme la bosse de A2 se déplaçait vers 00. La différence est que sa hauteur tend vers 00.

👉 C'est l'exercice qui montre qu'un maximum qui « fuit » n'est pas en soi un obstacle : ce qui compte est la hauteur du maximum, pas sa position.

Question 1 : convergence simple

À x∈[0,1[x\in[0,1[ fixé, xn→0x^n\to0 (géométrique de raison x<1x<1) et (1−x)(1-x) est une constante : fn(x)→0f_n(x)\to0. En x=1x=1, fn(1)=0f_n(1)=0 pour tout nn. Donc fn→0f_n\to0 simplement sur [0,1][0,1], et la limite est continue.

fn→0 simplement sur [0,1]\boxed{f_n\to0\ \text{simplement sur }[0,1]}
Question 2 : le sup, exact puis majoré

fnf_n est dérivable et

fn′(x)=nxn−1(1−x)−xn=xn−1(n−(n+1)x).f_n'(x)=nx^{n-1}(1-x)-x^n=x^{n-1}\bigl(n-(n+1)x\bigr).
Sur ]0,1]]0,1], le signe est celui de n−(n+1)xn-(n+1)x : fnf_n croît sur [0,nn+1]\left[0,\tfrac n{n+1}\right] et décroît ensuite. Le maximum, atteint en xn=nn+1x_n=\dfrac n{n+1}, vaut
∥fn∥∞=fn ⁣(nn+1)=(nn+1)n⋅1n+1=nn(n+1)n+1.\lVert f_n\rVert_\infty=f_n\!\left(\frac n{n+1}\right)=\left(\frac n{n+1}\right)^n\cdot\frac1{n+1}=\frac{n^n}{(n+1)^{n+1}}.
Valeurs exactes : ∥f1∥∞=14\lVert f_1\rVert_\infty=\dfrac14, ∥f2∥∞=427≈0,148\lVert f_2\rVert_\infty=\dfrac4{27}\approx0{,}148, ∥f3∥∞=27256≈0,105\lVert f_3\rVert_\infty=\dfrac{27}{256}\approx0{,}105 ; pour n=10n=10, 10101111≈0,0350\dfrac{10^{10}}{11^{11}}\approx0{,}0350.

La majoration. Comme (nn+1)n≤1\left(\dfrac n{n+1}\right)^n\leq1,

∥fn∥∞≤1n+1→n→∞0.\lVert f_n\rVert_\infty\leq\frac1{n+1}\xrightarrow[n\to\infty]{}0.

∥fn∥∞=nn(n+1)n+1≤1n+1→0 : convergence uniforme sur [0,1]\boxed{\lVert f_n\rVert_\infty=\frac{n^n}{(n+1)^{n+1}}\leq\frac1{n+1}\to0\ :\ \text{convergence uniforme sur }[0,1]}

ℹ️ Plus finement, (nn+1)n=(1+1n)−n→e−1\left(\dfrac n{n+1}\right)^n=\left(1+\dfrac1n\right)^{-n}\to e^{-1}, donc ∥fn∥∞∼1e(n+1)\lVert f_n\rVert_\infty\sim\dfrac1{e(n+1)} : pour n=10n=10, 111e≈0,0334\dfrac1{11e}\approx0{,}0334, à comparer aux 0,03500{,}0350 exacts. La convergence uniforme est lente (en 1n\tfrac1n), mais elle a lieu.

Question 3 : l'intégrale suit
∫01xn(1−x) dx=∫01xn dx−∫01xn+1 dx=1n+1−1n+2=1(n+1)(n+2)→n→∞0.\int_0^1x^n(1-x)\,\mathrm{d}x=\int_0^1x^n\,\mathrm{d}x-\int_0^1x^{n+1}\,\mathrm{d}x=\frac1{n+1}-\frac1{n+2}=\frac1{(n+1)(n+2)}\xrightarrow[n\to\infty]{}0.

C'est cohérent avec la section B : convergence uniforme sur le segment [0,1][0,1], donc ∫01fn→∫010=0\int_0^1f_n\to\int_0^10=0. On peut d'ailleurs le lire directement : 0≤∫01fn≤(1−0)⋅∥fn∥∞≤1n+10\leq\int_0^1f_n\leq(1-0)\cdot\lVert f_n\rVert_\infty\leq\dfrac1{n+1}.

Comparaison avec xnx^n. Pour xnx^n, ∫01xn=1n+1→0\int_0^1x^n=\dfrac1{n+1}\to0 aussi, alors que la convergence n'est pas uniforme : l'interversion limite–intégrale peut avoir lieu sans convergence uniforme. La convergence uniforme est une condition suffisante, jamais nécessaire — l'exercice B5 y revient.

∫01fn=1(n+1)(n+2)→0\boxed{\int_0^1f_n=\frac1{(n+1)(n+2)}\to0}
Rappel de cours

Norme sup d'une fonction positive sur un segment : c'est son maximum, lu au point critique. Ici xn=nn+1→1x_n=\dfrac n{n+1}\to1 : le maximum fuit vers le bord, et c'est sa hauteur nn(n+1)n+1\dfrac{n^n}{(n+1)^{n+1}} qui décide.

Interversion limite–intégrale : si fn→ff_n\to f uniformément sur [a,b][a,b], alors ∫abfn→∫abf\int_a^bf_n\to\int_a^bf, avec ∣∫abfn−∫abf∣≤(b−a)∥fn−f∥∞\left\lvert\int_a^bf_n-\int_a^bf\right\rvert\leq(b-a)\lVert f_n-f\rVert_\infty.

L'erreur classique

⚠️ Croire qu'un maximum qui fuit vers le bord empêche la convergence uniforme. Non : en A2 le maximum fuyait vers 00 à hauteur e−1e^{-1} constante ; ici il fuit vers 11 à hauteur nn(n+1)n+1→0\dfrac{n^n}{(n+1)^{n+1}}\to0. Seule la hauteur compte.

⚠️ Majorer trop vite. Écrire xn(1−x)≤xn≤1x^n(1-x)\leq x^n\leq1 est vrai et inutile. La bonne majoration vient du point critique : (nn+1)n≤1\left(\tfrac n{n+1}\right)^n\leq1 laisse le facteur 1n+1\tfrac1{n+1}, qui tend vers 00.

⚠️ Lire la convergence uniforme dans l'intégrale. ∫01fn→0\int_0^1f_n\to0 ne prouve pas la convergence uniforme (A1 : ∫01xn→0\int_0^1x^n\to0 sans convergence uniforme). Le sens est « uniforme ⇒\Rightarrow intégrales convergent », pas l'inverse.

À retenir

xn(1−x)→0x^n(1-x)\to0 uniformément sur [0,1][0,1], avec ∥fn∥∞=nn(n+1)n+1≤1n+1\lVert f_n\rVert_\infty=\dfrac{n^n}{(n+1)^{n+1}}\leq\dfrac1{n+1}.

Deux suites, deux verdicts, un seul mécanisme : xnx^n (sup 11) et xn(1−x)x^n(1-x) (sup ≤1n+1\leq\tfrac1{n+1}). La convergence uniforme est une affaire de hauteur d'écart maximal, jamais de position.

Réponse. CS vers 00 ; ∥fn∥∞=nn(n+1)n+1\lVert f_n\rVert_\infty=\dfrac{n^n}{(n+1)^{n+1}} (14\tfrac14, 427≈0,148\tfrac4{27}\approx0{,}148, 27256≈0,105\tfrac{27}{256}\approx0{,}105) ≤1n+1\leq\dfrac1{n+1} : CU sur [0,1][0,1] ; ∫01fn=1(n+1)(n+2)→0\int_0^1f_n=\dfrac1{(n+1)(n+2)}\to0. (Recoupement : n=10n=10, 10101111≈0,0350≈111e≈0,0334\tfrac{10^{10}}{11^{11}}\approx0{,}0350\approx\tfrac1{11e}\approx0{,}0334 ✓)
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sin(x/n) : uniforme sur tout segment, pas sur R

DémonstrationDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈Rx\in\mathbb{R}, on pose fn(x)=sin⁡ ⁣(xn)f_n(x)=\sin\!\left(\dfrac xn\right). 1. Déterminer la limite simple de (fn)(f_n) sur R\mathbb{R}. 2. Montrer que la convergence est uniforme sur tout segment [−A,A][-A,A], et donner un rang à partir duquel ∥fn∥∞,[−A,A]<10−2\lVert f_n\rVert_{\infty,[-A,A]}<10^{-2} pour A=10A=10. 3. Montrer qu'elle n'est pas uniforme sur R\mathbb{R} : on cherchera une suite (xn)(x_n) telle que fn(xn)=1f_n(x_n)=1.

Indices (3)

∣sin⁡u∣≤∣u∣\lvert\sin u\rvert\leq\lvert u\rvert pour tout réel uu.

Sur [−A,A][-A,A], ∣xn∣≤An\left\lvert\dfrac xn\right\rvert\leq\dfrac An.

sin⁡u=1\sin u=1 pour u=π2u=\dfrac\pi2 : prendre xn=nπ2x_n=\dfrac{n\pi}2.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le domaine décide, encore. sin⁡(x/n)\sin(x/n) est une sinusoïde qu'on étire horizontalement d'un facteur nn : sur toute fenêtre fixée [−A,A][-A,A], elle s'aplatit vers 00 ; mais elle atteint toujours 11 quelque part — de plus en plus loin, en x=nπ2x=\tfrac{n\pi}2. Uniforme sur tout segment, pas sur R\mathbb{R} : c'est la forme type de convergence uniforme locale, et l'occasion d'utiliser l'inégalité ∣sin⁡u∣≤∣u∣\lvert\sin u\rvert\leq\lvert u\rvert, qui donne une borne uniforme en une ligne.

👉 Les deux méthodes se partagent le travail : la majoration ∣sin⁡(x/n)∣≤An\lvert\sin(x/n)\rvert\leq\tfrac{A}{n} prouve la convergence uniforme sur [−A,A][-A,A] ; la suite xn=nπ2x_n=\tfrac{n\pi}2 réfute la convergence uniforme sur R\mathbb{R}.

Question 1 : limite simple

À xx fixé, xn→0\dfrac xn\to0 et sin⁡\sin est continue en 00 avec sin⁡0=0\sin0=0 : fn(x)→0f_n(x)\to0.

fn→0 simplement sur R\boxed{f_n\to0\ \text{simplement sur }\mathbb{R}}
Question 2 : sur un segment, la borne est uniforme

On utilise ∣sin⁡u∣≤∣u∣\lvert\sin u\rvert\leq\lvert u\rvert (conséquence de l'inégalité des accroissements finis : ∣sin⁡u−sin⁡0∣≤1⋅∣u∣\lvert\sin u-\sin0\rvert\leq1\cdot\lvert u\rvert). Pour x∈[−A,A]x\in[-A,A],

∣fn(x)∣=∣sin⁡xn∣≤∣x∣n≤An.\lvert f_n(x)\rvert=\left\lvert\sin\frac xn\right\rvert\leq\frac{\lvert x\rvert}n\leq\frac An.
Le majorant An\dfrac An ne dépend pas de xx et tend vers 00 : ∥fn∥∞,[−A,A]≤An→0\lVert f_n\rVert_{\infty,[-A,A]}\leq\dfrac An\to0.

convergence uniforme sur [−A,A] pour tout A>0\boxed{\text{convergence uniforme sur }[-A,A]\ \text{pour tout }A>0}

Le rang. Pour A=10A=10 et ε=10−2\varepsilon=10^{-2}, il suffit que 10n<10−2\dfrac{10}n<10^{-2}, soit n>1000n>1000 : à partir de n=1001n=1001, on est sûr que ∥fn∥∞,[−10,10]<10−2\lVert f_n\rVert_{\infty,[-10,10]}<10^{-2}. (Ce rang est un rang suffisant, obtenu par une majoration ; le vrai sup, sin⁡10n\sin\tfrac{10}n pour n≥7n\geq7, passe sous 10−210^{-2} un peu plus tôt — mais la majoration a l'avantage de ne demander aucune étude de fonction.)

Question 3 : sur R, la sinusoïde atteint toujours 1

Posons xn=nπ2x_n=\dfrac{n\pi}2. Alors

fn(xn)=sin⁡ ⁣(nπ/2n)=sin⁡π2=1,f_n(x_n)=\sin\!\left(\frac{n\pi/2}n\right)=\sin\frac\pi2=1,
donc ∥fn∥∞,R≥∣fn(xn)∣=1\lVert f_n\rVert_{\infty,\mathbb{R}}\geq\lvert f_n(x_n)\rvert=1 pour tout nn (et en fait ∥fn∥∞=1\lVert f_n\rVert_\infty=1, puisque ∣sin⁡∣≤1\lvert\sin\rvert\leq1). La norme sup ne tend pas vers 00.

∥fn∥∞,R=1 : pas de convergence uniforme sur R\boxed{\lVert f_n\rVert_{\infty,\mathbb{R}}=1\ :\ \text{pas de convergence uniforme sur }\mathbb{R}}

ℹ️ Le point xn=nπ2x_n=\tfrac{n\pi}2 part à l'infini : c'est la version « à l'infini » du phénomène de A2, où le point du sup partait vers 00. Sur tout segment fixé, il finit par en sortir, et la convergence y est uniforme.

Rappel de cours

Convergence uniforme sur tout segment (ou locale) : pour tout segment [a,b]⊂I[a,b]\subset I, ∥fn−f∥∞,[a,b]→0\lVert f_n-f\rVert_{\infty,[a,b]}\to0. C'est plus faible que la convergence uniforme sur II, et c'est ce qu'on obtient d'ordinaire sur R\mathbb{R} ou sur un intervalle ouvert.

Ce qu'elle suffit à garantir : la continuité de la limite (propriété locale) et l'interversion limite–intégrale sur tout segment. Ce qu'elle ne garantit pas : un contrôle uniforme sur II entier, donc rien sur ∫I\int_I quand II n'est pas borné.

Inégalité clé : ∣sin⁡u∣≤∣u∣\lvert\sin u\rvert\leq\lvert u\rvert, et plus généralement ∣g(u)−g(0)∣≤∥g′∥∞∣u∣\lvert g(u)-g(0)\rvert\leq\lVert g'\rVert_\infty\lvert u\rvert.

L'erreur classique

⚠️ Confondre « uniforme sur tout segment » et « uniforme sur R\mathbb{R} ». Les deux énoncés diffèrent par l'ordre des quantificateurs : dans le premier, le rang NN dépend du segment [−A,A][-A,A] ; dans le second, un seul NN doit servir pour toute la droite. Ici N≈AεN\approx\tfrac A\varepsilon grandit avec AA, et aucun NN ne convient pour A=+∞A=+\infty.

⚠️ Chercher le sup par la dérivée sur R\mathbb{R}. fn′(x)=1ncos⁡(x/n)f_n'(x)=\tfrac1n\cos(x/n) s'annule en une infinité de points ; l'étude de fonction est possible mais inutile : ∣sin⁡∣≤1\lvert\sin\rvert\leq1 et une valeur 11 atteinte suffisent.

À retenir

sin⁡(x/n)→0\sin(x/n)\to0 uniformément sur tout [−A,A][-A,A] (borne An\tfrac An), pas sur R\mathbb{R} (valeur 11 en xn=nπ2x_n=\tfrac{n\pi}2).

Réflexe : pour une convergence uniforme locale, majorer ∣fn(x)−f(x)∣\lvert f_n(x)-f(x)\rvert par une expression de nn et de la taille du segment ; pour réfuter la convergence uniforme globale, chercher un xnx_n qui fuit à l'infini.

Réponse. CS vers 00 ; sur [−A,A][-A,A], ∣sin⁡(x/n)∣≤An\lvert\sin(x/n)\rvert\leq\tfrac{A}{n} : CU sur tout segment, rang n≥1001n\geq1001 pour A=10A=10, ε=10−2\varepsilon=10^{-2} ; sur R\mathbb{R}, fn(nπ2)=1f_n(\tfrac{n\pi}2)=1 : ∥fn∥∞=1\lVert f_n\rVert_\infty=1, pas de CU.
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Deux méthodes, deux verdicts : nx/(1+n²x²) et ⌊nx⌋/n

CalculDifficulté 3/5

1. Sur [0,+∞[[0,+\infty[, on pose fn(x)=nx1+n2x2f_n(x)=\dfrac{nx}{1+n^2x^2}. Déterminer la limite simple, calculer ∥fn∥∞\lVert f_n\rVert_\infty, puis étudier la convergence uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[ et sur [a,+∞[[a,+\infty[ (a>0a>0). Donner ∥fn∥∞,[1/2,+∞[\lVert f_n\rVert_{\infty,[1/2,+\infty[} pour n=10n=10 et n=100n=100. 2. Sur [0,+∞[[0,+\infty[, on pose gn(x)=⌊nx⌋ng_n(x)=\dfrac{\lfloor nx\rfloor}n (partie entière). Montrer que (gn)(g_n) converge uniformément vers x↦xx\mapsto x. Que dire de la continuité des gng_n et de la limite ?

Indices (3)

1+n2x2≥2nx1+n^2x^2\geq2nx (inégalité a2+b2≥2aba^2+b^2\geq2ab).

Pour n>1an>\dfrac1a, fnf_n est décroissante sur [a,+∞[[a,+\infty[ : son sup y vaut fn(a)f_n(a).

nx−1<⌊nx⌋≤nxnx-1<\lfloor nx\rfloor\leq nx.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Un exercice-bilan des deux méthodes. Sur fnf_n, on calcule le sup (méthode 1) — il vaut 12\tfrac12, atteint en 1n\tfrac1n : pas de convergence uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[, mais uniforme sur tout [a,+∞[[a,+\infty[. Sur gng_n, on encadre directement ∣gn(x)−x∣\lvert g_n(x)-x\rvert par une borne uniforme, sans aucune étude de fonction. Et gng_n réserve une surprise : des fonctions discontinues (en escalier) qui convergent uniformément vers une fonction continue. La convergence uniforme transmet la continuité aux limites ; elle ne l'exige pas des termes.

👉 Retenir aussi l'inégalité 1+n2x2≥2nx1+n^2x^2\geq2nx : c'est a2+b2≥2aba^2+b^2\geq2ab avec a=1a=1, b=nxb=nx, et elle donne le sup sans dériver.

Question 1 : la bosse de hauteur 1/2

Limite simple. fn(0)=0f_n(0)=0. Pour x>0x>0 fixé, fn(x)=nx1+n2x2∼nxn2x2=1nx→0f_n(x)=\dfrac{nx}{1+n^2x^2}\sim\dfrac{nx}{n^2x^2}=\dfrac1{nx}\to0. Donc fn→0f_n\to0 simplement sur [0,+∞[[0,+\infty[.

Le sup. Par 1+n2x2≥2nx1+n^2x^2\geq2nx (car (1−nx)2≥0(1-nx)^2\geq0), on a 0≤fn(x)≤nx2nx=120\leq f_n(x)\leq\dfrac{nx}{2nx}=\dfrac12 pour x>0x>0, avec égalité si et seulement si nx=1nx=1. Donc

∥fn∥∞=fn ⁣(1n)=12 pour tout n.\lVert f_n\rVert_\infty=f_n\!\left(\frac1n\right)=\frac12\ \text{pour tout }n.
(On retrouve ce résultat par la dérivée : fn′(x)=n(1−n2x2)(1+n2x2)2f_n'(x)=\dfrac{n(1-n^2x^2)}{(1+n^2x^2)^2}, positive avant 1n\tfrac1n, négative après.) La norme sup ne tend pas vers 00 :

∥fn∥∞,[0,+∞[=12 : pas de convergence uniforme sur [0,+∞[\boxed{\lVert f_n\rVert_{\infty,[0,+\infty[}=\frac12\ :\ \text{pas de convergence uniforme sur }[0,+\infty[}

Sur [a,+∞[[a,+\infty[. Dès que n>1an>\tfrac1a, le point 1n\tfrac1n est à gauche de aa, donc fnf_n est décroissante sur [a,+∞[[a,+\infty[ et

∥fn∥∞,[a,+∞[=fn(a)=na1+n2a2≤nan2a2=1na→n→∞0.\lVert f_n\rVert_{\infty,[a,+\infty[}=f_n(a)=\frac{na}{1+n^2a^2}\leq\frac{na}{n^2a^2}=\frac1{na}\xrightarrow[n\to\infty]{}0.
Convergence uniforme sur [a,+∞[[a,+\infty[ pour tout a>0a>0. Pour a=12a=\tfrac12 : f10 ⁣(12)=51+25=526≈0,192f_{10}\!\left(\tfrac12\right)=\dfrac5{1+25}=\dfrac5{26}\approx0{,}192 et f100 ⁣(12)=501+2500=502501≈0,0200f_{100}\!\left(\tfrac12\right)=\dfrac{50}{1+2500}=\dfrac{50}{2501}\approx0{,}0200 — tous deux sous la borne 1na=2n\tfrac1{na}=\tfrac2n (0,20{,}2 et 0,020{,}02).

Question 2 : un escalier qui converge uniformément vers une droite

Pour tout réel uu, u−1<⌊u⌋≤uu-1<\lfloor u\rfloor\leq u. Avec u=nxu=nx puis division par n>0n>0 :

x−1n<⌊nx⌋n≤x,soit0≤x−gn(x)<1n.x-\frac1n<\frac{\lfloor nx\rfloor}n\leq x,\qquad\text{soit}\qquad0\leq x-g_n(x)<\frac1n.
Le majorant 1n\tfrac1n ne dépend pas de xx : ∥gn−id∥∞≤1n→0\lVert g_n-\mathrm{id}\rVert_\infty\leq\dfrac1n\to0.

gn→x uniformeˊment sur [0,+∞[, ∥gn−id∥∞≤1n\boxed{g_n\to x\ \text{uniformément sur }[0,+\infty[,\ \lVert g_n-\mathrm{id}\rVert_\infty\leq\frac1n}

Continuité. Chaque gng_n est une fonction en escalier, discontinue en tout point kn\tfrac kn (k∈N∗k\in\mathbb{N}^*) : elle y saute de 1n\tfrac1n. La limite x↦xx\mapsto x est continue. Rien de contradictoire : le théorème de la section B dit que si les fnf_n sont continues et la convergence uniforme, alors la limite est continue. Il ne dit pas qu'une limite uniforme continue vient de fonctions continues. Ici les sauts, de hauteur 1n\tfrac1n, s'effacent uniformément.

Rappel de cours

Deux façons d'établir une convergence uniforme : calculer ∥fn−f∥∞\lVert f_n-f\rVert_\infty par l'étude des variations (méthode 1, complète), ou encadrer ∣fn(x)−f(x)∣\lvert f_n(x)-f(x)\rvert par une suite εn→0\varepsilon_n\to0 indépendante de xx (méthode 2 « positive » — c'est ce qu'on a fait pour gng_n et pour sin⁡(x/n)\sin(x/n)).

Réfuter : une suite (xn)(x_n) avec ∣fn(xn)−f(xn)∣↛0\lvert f_n(x_n)-f(x_n)\rvert\not\to0. Ici xn=1nx_n=\tfrac1n donne 12\tfrac12.

Inégalité a2+b2≥2aba^2+b^2\geq2ab : 1+n2x2≥2nx1+n^2x^2\geq2nx ; elle localise le maximum sans calcul de dérivée.

L'erreur classique

⚠️ Exiger la continuité des termes pour parler de convergence uniforme. La définition ne demande rien aux fnf_n. Les théorèmes de régularité (section B) ajoutent des hypothèses sur les termes pour conclure sur la limite ; la convergence uniforme elle-même est une affaire de norme sup.

⚠️ Confondre ⌊nx⌋/n\lfloor nx\rfloor/n avec ⌊x⌋\lfloor x\rfloor. ⌊nx⌋/n\lfloor nx\rfloor/n est l'arrondi de xx par défaut au 1n\tfrac1n près : c'est une approximation de xx, pas de sa partie entière. Pour n=10n=10 et x=3,14x=3{,}14, g10(x)=3110=3,1g_{10}(x)=\tfrac{31}{10}=3{,}1.

⚠️ Sur [0,+∞[[0,+\infty[, oublier que le sup de fnf_n est en 1n\tfrac1n, pas à l'infini. fn(x)→0f_n(x)\to0 quand x→+∞x\to+\infty à nn fixé ; le sup est ailleurs, en 1n\tfrac1n, et vaut 12\tfrac12.

À retenir

nx1+n2x2\dfrac{nx}{1+n^2x^2} : sup 12\tfrac12 en 1n\tfrac1n, pas de convergence uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[, uniforme sur tout [a,+∞[[a,+\infty[ avec la borne 1na\tfrac1{na}.

⌊nx⌋n\dfrac{\lfloor nx\rfloor}n : 0≤x−gn(x)<1n0\leq x-g_n(x)<\tfrac1n, convergence uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[ de fonctions discontinues vers une fonction continue. La continuité des termes n'est pas une hypothèse de la convergence uniforme.

Réponse. fn→0f_n\to0 simplement ; ∥fn∥∞=fn(1n)=12\lVert f_n\rVert_\infty=f_n(\tfrac1n)=\tfrac12 : pas de CU sur [0,+∞[[0,+\infty[ ; CU sur [a,+∞[[a,+\infty[ (∥fn∥≤1na\lVert f_n\rVert\leq\tfrac1{na}) ; sur [12,+∞[[\tfrac12,+\infty[ : 526≈0,192\tfrac5{26}\approx0{,}192 (n=10n=10), 502501≈0,0200\tfrac{50}{2501}\approx0{,}0200 (n=100n=100) ; 0≤x−gn(x)<1n0\leq x-g_n(x)<\tfrac1n : CU vers xx, termes discontinus, limite continue.
Faire cet exercice dans l'app →

La limite uniforme de fonctions continues est continue

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions continues sur un intervalle II, convergeant uniformément vers ff sur II. Démontrer que ff est continue sur II. 2. En déduire, sans aucun calcul de norme sup, que xnx^n ne converge pas uniformément sur [0,1][0,1]. 3. Sur R\mathbb{R}, on pose gn(x)=arctan⁡(nx)g_n(x)=\arctan(nx). Déterminer la limite simple gg de (gn)(g_n), et conclure quant à la convergence uniforme sur R\mathbb{R}. Que vaut ∣gn(1n)−g(1n)∣\lvert g_n(\tfrac1n)-g(\tfrac1n)\rvert ?

Indices (3)

Insérer fN(x)f_N(x) et fN(a)f_N(a) : f(x)−f(a)=(f(x)−fN(x))+(fN(x)−fN(a))+(fN(a)−f(a))f(x)-f(a)=\bigl(f(x)-f_N(x)\bigr)+\bigl(f_N(x)-f_N(a)\bigr)+\bigl(f_N(a)-f(a)\bigr).

Le rang NN vient de la convergence uniforme, le δ\delta de la continuité de la seule fonction fNf_N.

arctan⁡(nx)→±π2\arctan(nx)\to\pm\dfrac\pi2 selon le signe de xx, et arctan⁡1=π4\arctan1=\dfrac\pi4.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

C'est le théorème central du chapitre, et sa preuve est un argument en trois morceaux — le « ε/3\varepsilon/3 ». Pour montrer que ff est continue en aa, on n'a pas accès à ff directement : on ne la connaît que comme limite. L'idée est de passer par une des fNf_N, continue, qui est proche de ff partout (c'est là que sert la convergence uniforme) : f(x)f(x) est proche de fN(x)f_N(x), fN(x)f_N(x) est proche de fN(a)f_N(a) (continuité de fNf_N), et fN(a)f_N(a) est proche de f(a)f(a). Trois écarts de ε/3\varepsilon/3 font un écart de ε\varepsilon.

👉 Pourquoi la convergence simple ne suffit pas : elle donnerait ∣f(x)−fN(x)∣<ε/3\lvert f(x)-f_N(x)\rvert<\varepsilon/3 pour un rang NN qui dépend de xx — et xx bouge. L'uniformité fournit un NN unique pour tous les xx proches de aa, donc une seule fonction fNf_N à rendre continue.

Question 1 : la preuve en epsilon sur trois

Soit a∈Ia\in I et ε>0\varepsilon>0. Par convergence uniforme, il existe NN tel que ∥fN−f∥∞<ε3\lVert f_N-f\rVert_\infty<\dfrac\varepsilon3 — donc ∣fN(x)−f(x)∣<ε3\lvert f_N(x)-f(x)\rvert<\dfrac\varepsilon3 pour tout x∈Ix\in I. Ce NN étant fixé, fNf_N est continue en aa : il existe δ>0\delta>0 tel que ∣x−a∣<δ⇒∣fN(x)−fN(a)∣<ε3\lvert x-a\rvert<\delta\Rightarrow\lvert f_N(x)-f_N(a)\rvert<\dfrac\varepsilon3.

Alors, pour x∈Ix\in I avec ∣x−a∣<δ\lvert x-a\rvert<\delta, par l'inégalité triangulaire,

∣f(x)−f(a)∣≤∣f(x)−fN(x)∣⏟<ε/3+∣fN(x)−fN(a)∣⏟<ε/3+∣fN(a)−f(a)∣⏟<ε/3<ε.\lvert f(x)-f(a)\rvert\leq\underbrace{\lvert f(x)-f_N(x)\rvert}_{<\varepsilon/3}+\underbrace{\lvert f_N(x)-f_N(a)\rvert}_{<\varepsilon/3}+\underbrace{\lvert f_N(a)-f(a)\rvert}_{<\varepsilon/3}<\varepsilon.
Donc ff est continue en aa, et aa est quelconque. ■\blacksquare

fn continues, fn→f uniformeˊment sur I ⇒ f continue sur I\boxed{f_n\ \text{continues},\ f_n\to f\ \text{uniformément sur }I\ \Rightarrow\ f\ \text{continue sur }I}

ℹ️ Relire où chaque hypothèse sert : le premier et le troisième terme utilisent la convergence uniforme au même rang NN ; le second utilise la continuité de fNf_N seule. Rien d'autre.

Question 2 : la contraposée fait le travail

Les fn(x)=xnf_n(x)=x^n sont continues sur [0,1][0,1], et leur limite simple est f=1{1}f=\mathbb{1}_{\{1\}}, discontinue en 11 (exercice A1). Si la convergence était uniforme sur [0,1][0,1], la question 1 imposerait ff continue : contradiction.

xn ne converge pas uniformeˊment sur [0,1] (limite discontinue)\boxed{x^n\ \text{ne converge pas uniformément sur }[0,1]\ (\text{limite discontinue})}

C'est la contraposée du théorème : limite simple discontinue ⇒\Rightarrow convergence non uniforme. Elle réfute en une ligne, sans aucun sup. ⚠️ Elle ne peut jamais prouver une convergence uniforme : une limite continue est compatible avec les deux situations (A2 : limite 00, convergence non uniforme).

Question 3 : arctan(nx), une marche qui se raidit

Limite simple. Pour x>0x>0, nx→+∞nx\to+\infty et arctan⁡(nx)→π2\arctan(nx)\to\dfrac\pi2 ; pour x<0x<0, arctan⁡(nx)→−π2\arctan(nx)\to-\dfrac\pi2 ; en x=0x=0, gn(0)=0g_n(0)=0. Donc

g(x)={π2x>0,0x=0,−π2x<0,g(x)=\begin{cases}\dfrac\pi2&x>0,\\[2pt]0&x=0,\\[2pt]-\dfrac\pi2&x<0,\end{cases}
une fonction en marche, discontinue en 00. Les gng_n sont continues : par la contraposée, la convergence n'est pas uniforme sur R\mathbb{R}.

Le sup, pour voir la hauteur du défaut. En x=1nx=\tfrac1n : gn ⁣(1n)=arctan⁡1=π4g_n\!\left(\tfrac1n\right)=\arctan1=\dfrac\pi4, tandis que g ⁣(1n)=π2g\!\left(\tfrac1n\right)=\dfrac\pi2. Donc

∣gn ⁣(1n)−g ⁣(1n)∣=π2−π4=π4≈0,785,\left\lvert g_n\!\left(\tfrac1n\right)-g\!\left(\tfrac1n\right)\right\rvert=\frac\pi2-\frac\pi4=\frac\pi4\approx0{,}785,
et ∥gn−g∥∞≥π4\lVert g_n-g\rVert_\infty\geq\tfrac\pi4 pour tout nn — en fait ∥gn−g∥∞=π2\lVert g_n-g\rVert_\infty=\tfrac\pi2, borne sup non atteinte, obtenue quand x→0+x\to0^+.

g=π2sgn⁡ (discontinue) : pas de CU sur R ; ∣gn(1n)−g(1n)∣=π4\boxed{g=\tfrac\pi2\operatorname{sgn}\ \text{(discontinue)}\ :\ \text{pas de CU sur }\mathbb{R}\ ;\ \lvert g_n(\tfrac1n)-g(\tfrac1n)\rvert=\tfrac\pi4}

ℹ️ Sur [a,+∞[[a,+\infty[ avec a>0a>0, en revanche, ∣gn(x)−π2∣=arctan⁡ ⁣(1nx)≤1na→0\lvert g_n(x)-\tfrac\pi2\rvert=\arctan\!\left(\tfrac1{nx}\right)\leq\tfrac1{na}\to0 : convergence uniforme loin de la marche, comme toujours.

Rappel de cours

Théorème. Si les fnf_n sont continues sur II et convergent uniformément vers ff sur II, alors ff est continue sur II. Il suffit même de la convergence uniforme sur tout segment de II, la continuité étant locale.

Contraposée : si fn→ff_n\to f simplement, les fnf_n continues et ff discontinue, la convergence n'est pas uniforme (sur aucun intervalle contenant le point de discontinuité).

Ce que le théorème ne dit pas : la réciproque. Limite continue ⇏\not\Rightarrow convergence uniforme.

L'erreur classique

⚠️ Prendre NN dépendant de xx. Avec la seule convergence simple, on a un NxN_x pour chaque xx ; quand x→ax\to a, ces rangs peuvent exploser et aucun fNf_N unique ne sert. La preuve utilise l'uniformité au moment précis où elle écrit « NN tel que pour tout xx ».

⚠️ Oublier de fixer NN avant de choisir δ\delta. Le δ\delta est celui de la continuité de fNf_N : il dépend de NN. L'ordre des choix — ε\varepsilon, puis NN, puis δ\delta — n'est pas interchangeable.

⚠️ Lire la contraposée à l'envers. « Limite continue donc convergence uniforme » est la faute la plus fréquente du chapitre, et A2 la réfute.

À retenir

Preuve en ε/3\varepsilon/3 : passer par une fNf_N proche de ff partout, et continue. C'est le schéma de toutes les preuves de régularité du chapitre.

Contraposée : limite discontinue ⇒\Rightarrow pas de convergence uniforme. Réfute xnx^n sur [0,1][0,1] et arctan⁡(nx)\arctan(nx) sur R\mathbb{R} sans calcul.

Réponse. ∣f(x)−f(a)∣≤∣f−fN∣(x)+∣fN(x)−fN(a)∣+∣fN−f∣(a)<ε\lvert f(x)-f(a)\rvert\leq\lvert f-f_N\rvert(x)+\lvert f_N(x)-f_N(a)\rvert+\lvert f_N-f\rvert(a)<\varepsilon ; xnx^n : limite discontinue, pas de CU ; arctan⁡(nx)→π2sgn⁡(x)\arctan(nx)\to\tfrac\pi2\operatorname{sgn}(x), discontinue : pas de CU sur R\mathbb{R}, ∣gn(1n)−g(1n)∣=π4≈0,785\lvert g_n(\tfrac1n)-g(\tfrac1n)\rvert=\tfrac\pi4\approx0{,}785.
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Bornée, uniformément bornée : ce que la limite uniforme garde

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions bornées sur II, convergeant uniformément vers ff. Montrer que ff est bornée, et qu'il existe MM tel que ∥fn∥∞≤M\lVert f_n\rVert_\infty\leq M pour tout nn (suite uniformément bornée). 2. Sur [0,+∞[[0,+\infty[, on pose fn(x)=nxn+xf_n(x)=\dfrac{nx}{n+x}. Montrer que chaque fnf_n est bornée, déterminer la limite simple, et montrer que celle-ci n'est pas bornée. Que conclure ? 3. Calculer x−fn(x)x-f_n(x) et l'évaluer en x=nx=n.

Indices (3)

∥f∥∞≤∥f−fN∥∞+∥fN∥∞\lVert f\rVert_\infty\leq\lVert f-f_N\rVert_\infty+\lVert f_N\rVert_\infty.

nxn+x<nxx=n\dfrac{nx}{n+x}<\dfrac{nx}{x}=n pour x>0x>0.

x−nxn+x=x2n+xx-\dfrac{nx}{n+x}=\dfrac{x^2}{n+x}.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

La norme sup est une norme : elle vérifie l'inégalité triangulaire, et c'est tout ce dont on a besoin ici. ∥f∥∞≤∥f−fN∥∞+∥fN∥∞\lVert f\rVert_\infty\leq\lVert f-f_N\rVert_\infty+\lVert f_N\rVert_\infty dit qu'une fonction proche (uniformément) d'une fonction bornée est bornée. Le contre-exemple nxn+x\dfrac{nx}{n+x} montre qu'en convergence simple, on peut converger vers une fonction non bornée en n'ayant que des fonctions bornées — et, au passage, il donne encore une convergence uniforme sur tout segment mais pas sur [0,+∞[[0,+\infty[.

👉 La question 3 rend l'obstacle visible : l'écart x−fn(x)=x2n+xx-f_n(x)=\dfrac{x^2}{n+x} vaut n2\dfrac n2 en x=nx=n. Il tend vers 00 à xx fixé, mais il grandit avec nn quelque part.

Question 1 : deux inégalités triangulaires

Par convergence uniforme, il existe NN tel que ∥fn−f∥∞≤1\lVert f_n-f\rVert_\infty\leq1 pour tout n≥Nn\geq N. Alors, pour tout x∈Ix\in I,

∣f(x)∣≤∣f(x)−fN(x)∣+∣fN(x)∣≤1+∥fN∥∞,\lvert f(x)\rvert\leq\lvert f(x)-f_N(x)\rvert+\lvert f_N(x)\rvert\leq1+\lVert f_N\rVert_\infty,
donc ff est bornée, avec ∥f∥∞≤1+∥fN∥∞\lVert f\rVert_\infty\leq1+\lVert f_N\rVert_\infty.

Ensuite, pour n≥Nn\geq N, ∥fn∥∞≤∥fn−f∥∞+∥f∥∞≤1+∥f∥∞\lVert f_n\rVert_\infty\leq\lVert f_n-f\rVert_\infty+\lVert f\rVert_\infty\leq1+\lVert f\rVert_\infty ; et les fnf_n avec n<Nn<N sont en nombre fini, chacune bornée. En posant

M=max⁡(∥f1∥∞,…,∥fN−1∥∞, 1+∥f∥∞),M=\max\bigl(\lVert f_1\rVert_\infty,\ldots,\lVert f_{N-1}\rVert_\infty,\ 1+\lVert f\rVert_\infty\bigr),
on a ∥fn∥∞≤M\lVert f_n\rVert_\infty\leq M pour tout nn. ■\blacksquare

fn borneˊes, fn→f uniformeˊment ⇒ f borneˊe et sup⁡n∥fn∥∞<+∞\boxed{f_n\ \text{bornées},\ f_n\to f\ \text{uniformément}\ \Rightarrow\ f\ \text{bornée et }\sup_n\lVert f_n\rVert_\infty<+\infty}

ℹ️ La structure est la même qu'en B1 : on ne connaît ff que par les fnf_n, on passe par une fNf_N proche partout. Le « 11 » est arbitraire : n'importe quel ε\varepsilon fixé ferait l'affaire.

Question 2 : bornées une par une, mais la limite explose

Chaque fnf_n est bornée. Pour x≥0x\geq0, 0≤fn(x)=nxn+x<nxx=n0\leq f_n(x)=\dfrac{nx}{n+x}<\dfrac{nx}x=n (dès que x>0x>0 ; et fn(0)=0f_n(0)=0). Donc ∥fn∥∞≤n\lVert f_n\rVert_\infty\leq n — en fait fn(x)→nf_n(x)\to n quand x→+∞x\to+\infty, la borne sup vaut nn.

Limite simple. À x≥0x\geq0 fixé, fn(x)=x1+x/n→xf_n(x)=\dfrac{x}{1+x/n}\to x. Donc fn→idf_n\to\mathrm{id} simplement sur [0,+∞[[0,+\infty[, et x↦xx\mapsto x n'est pas bornée sur [0,+∞[[0,+\infty[.

Conclusion. Par la question 1 (contraposée), la convergence n'est pas uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[ : une limite uniforme de fonctions bornées serait bornée. Aucune norme sup n'a été calculée.

∥fn∥∞=n<+∞, fn→x non borneˊe ⇒ pas de CU sur [0,+∞[\boxed{\lVert f_n\rVert_\infty=n<+\infty,\ f_n\to x\ \text{non bornée}\ \Rightarrow\ \text{pas de CU sur }[0,+\infty[}
Question 3 : l'écart, et où il est grand
x−fn(x)=x−nxn+x=x(n+x)−nxn+x=x2n+x.x-f_n(x)=x-\frac{nx}{n+x}=\frac{x(n+x)-nx}{n+x}=\frac{x^2}{n+x}.

À xx fixé, c'est ∼x2n→0\sim\dfrac{x^2}n\to0 : la convergence simple, à nouveau. Mais en x=nx=n,

x−fn(x)∣x=n=n22n=n2→n→∞+∞.x-f_n(x)\Big|_{x=n}=\frac{n^2}{2n}=\frac n2\xrightarrow[n\to\infty]{}+\infty.
Donc ∥fn−id∥∞≥n2\lVert f_n-\mathrm{id}\rVert_\infty\geq\dfrac n2, et même =+∞=+\infty (l'écart x2n+x\dfrac{x^2}{n+x} tend vers +∞+\infty quand x→+∞x\to+\infty). C'est la forme la plus violente de non-convergence uniforme : la norme sup n'est même pas finie.

Sur un segment [0,A][0,A], tout rentre dans l'ordre : 0≤x−fn(x)=x2n+x≤A2n→00\leq x-f_n(x)=\dfrac{x^2}{n+x}\leq\dfrac{A^2}n\to0 — convergence uniforme sur tout segment.

x−fn(x)=x2n+x,vaut n2 en x=n ; CU sur tout [0,A] (borne A2n)\boxed{x-f_n(x)=\frac{x^2}{n+x},\quad\text{vaut }\frac n2\text{ en }x=n\ ;\ \text{CU sur tout }[0,A]\ (\text{borne }\tfrac{A^2}n)}
Rappel de cours

La norme sup ∥g∥∞=sup⁡I∣g∣\lVert g\rVert_\infty=\sup_I\lvert g\rvert vérifie ∥g+h∥∞≤∥g∥∞+∥h∥∞\lVert g+h\rVert_\infty\leq\lVert g\rVert_\infty+\lVert h\rVert_\infty et ∥λg∥∞=∣λ∣ ∥g∥∞\lVert\lambda g\rVert_\infty=\lvert\lambda\rvert\,\lVert g\rVert_\infty. Converger uniformément, c'est converger pour cette norme — et les propriétés « bornée », « continue » sont stables par cette convergence.

Contraposée utile : si la limite simple n'est pas bornée alors que les termes le sont, la convergence n'est pas uniforme.

L'erreur classique

⚠️ « fn(x)→xf_n(x)\to x et l'écart tend vers 00, donc convergence uniforme. » L'écart x2n+x\dfrac{x^2}{n+x} tend vers 00 à xx fixé ; son sup en xx est infini. Le quantificateur « pour tout xx » ne commute pas avec la limite en nn.

⚠️ Croire qu'une borne qui dépend de nn empêche d'être uniformément borné. ∥fn∥∞≤n\lVert f_n\rVert_\infty\leq n n'est pas une borne uniforme ; mais en cas de convergence uniforme la question 1 en fournit une. Ici il n'y en a pas, et c'est justement le signe.

À retenir

Une limite uniforme de fonctions bornées est bornée, et la suite est uniformément bornée à partir d'un rang. Preuve : deux inégalités triangulaires sur ∥⋅∥∞\lVert\cdot\rVert_\infty.

nxn+x→x\dfrac{nx}{n+x}\to x : bornées, limite non bornée, écart x2n+x\dfrac{x^2}{n+x} qui vaut n2\dfrac n2 en x=nx=n — convergence uniforme sur tout [0,A][0,A], jamais sur [0,+∞[[0,+\infty[.

Réponse. ∥f∥∞≤1+∥fN∥∞\lVert f\rVert_\infty\leq1+\lVert f_N\rVert_\infty puis ∥fn∥∞≤1+∥f∥∞\lVert f_n\rVert_\infty\leq1+\lVert f\rVert_\infty pour n≥Nn\geq N ; fn=nxn+x≤nf_n=\tfrac{nx}{n+x}\leq n, limite xx non bornée : pas de CU sur [0,+∞[[0,+\infty[ ; x−fn(x)=x2n+xx-f_n(x)=\tfrac{x^2}{n+x}, vaut n2\tfrac n2 en x=nx=n ; CU sur [0,A][0,A] (borne A2n\tfrac{A^2}n).
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Intervertir limite et intégrale sur un segment

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions continues sur [a,b][a,b] convergeant uniformément vers ff. Démontrer que ∫abfn(x) dx→∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^bf_n(x)\,\mathrm{d}x\to\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x, avec la majoration ∣∫abfn−∫abf∣≤(b−a)∥fn−f∥∞\left\lvert\int_a^bf_n-\int_a^bf\right\rvert\leq(b-a)\lVert f_n-f\rVert_\infty. 2. Application : avec fn(x)=x2+1nf_n(x)=\sqrt{x^2+\tfrac1n} sur [−1,1][-1,1] (exercice A3), montrer que In=∫−11fn(x) dx→1I_n=\displaystyle\int_{-1}^1f_n(x)\,\mathrm{d}x\to1 et majorer ∣In−1∣\lvert I_n-1\rvert. 3. On donne In=1+1n+1nargsh⁡nI_n=\sqrt{1+\tfrac1n}+\tfrac1n\operatorname{argsh}\sqrt n (admis pour le calcul). Comparer ∣I100−1∣\lvert I_{100}-1\rvert à la majoration de la question 2.

Indices (3)

∣∫abg∣≤∫ab∣g∣≤(b−a)sup⁡∣g∣\left\lvert\int_a^bg\right\rvert\leq\int_a^b\lvert g\rvert\leq(b-a)\sup\lvert g\rvert.

∫−11∣x∣ dx=1\displaystyle\int_{-1}^1\lvert x\rvert\,\mathrm{d}x=1 et ∥fn−f∥∞=1n\lVert f_n-f\rVert_\infty=\dfrac1{\sqrt n} (A3).

argsh⁡10=ln⁡(10+101)\operatorname{argsh}10=\ln\bigl(10+\sqrt{101}\bigr).

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Intervertir « lim⁡\lim » et « ∫\int » est le geste que tout le chapitre prépare, et sur un segment la convergence uniforme le rend légitime en une ligne : l'intégrale d'une fonction petite partout est petite, et « petite partout » est exactement la norme sup. La longueur (b−a)(b-a) du segment est le prix à payer : sur un intervalle non borné, il n'y a plus de majoration de ce genre, et c'est l'un des cadres où la convergence uniforme ne suffit plus.

👉 La question 3 est un contrôle : la majoration prédit ∣I100−1∣≤0,2\lvert I_{100}-1\rvert\leq0{,}2 ; la valeur exacte est ≈0,035\approx0{,}035. La majoration est vraie et lâche — c'est le régime normal d'une inégalité générale.

Question 1 : l'intégrale d'une petite fonction est petite

Les fnf_n et ff sont continues sur [a,b][a,b] (ff par le théorème B1), donc intégrables. Par linéarité de l'intégrale et l'inégalité ∣∫g∣≤∫∣g∣\left\lvert\int g\right\rvert\leq\int\lvert g\rvert,

∣∫abfn(x) dx−∫abf(x) dx∣=∣∫ab(fn(x)−f(x))dx∣≤∫ab∣fn(x)−f(x)∣ dx.\left\lvert\int_a^bf_n(x)\,\mathrm{d}x-\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x\right\rvert=\left\lvert\int_a^b\bigl(f_n(x)-f(x)\bigr)\mathrm{d}x\right\rvert\leq\int_a^b\lvert f_n(x)-f(x)\rvert\,\mathrm{d}x.
Or ∣fn(x)−f(x)∣≤∥fn−f∥∞\lvert f_n(x)-f(x)\rvert\leq\lVert f_n-f\rVert_\infty pour tout x∈[a,b]x\in[a,b], et l'intégrale d'une constante sur [a,b][a,b] vaut la constante fois (b−a)(b-a) :
∫ab∣fn−f∣≤(b−a) ∥fn−f∥∞→n→∞0.\int_a^b\lvert f_n-f\rvert\leq(b-a)\,\lVert f_n-f\rVert_\infty\xrightarrow[n\to\infty]{}0.
D'où ∫abfn→∫abf\int_a^bf_n\to\int_a^bf. ■\blacksquare

fn→f uniformeˊment sur [a,b] ⇒ ∫abfn→∫abf,∣∫abfn−∫abf∣≤(b−a)∥fn−f∥∞\boxed{f_n\to f\ \text{uniformément sur }[a,b]\ \Rightarrow\ \int_a^bf_n\to\int_a^bf,\quad\left\lvert\int_a^bf_n-\int_a^bf\right\rvert\leq(b-a)\lVert f_n-f\rVert_\infty}
Question 2 : l'application, et sa majoration

D'après A3, fn→f=∣⋅∣f_n\to f=\lvert\cdot\rvert uniformément sur R\mathbb{R}, donc sur [−1,1][-1,1], avec ∥fn−f∥∞=1n\lVert f_n-f\rVert_\infty=\dfrac1{\sqrt n}. Par la question 1,

In→n→∞∫−11∣x∣ dx=2∫01x dx=1,I_n\xrightarrow[n\to\infty]{}\int_{-1}^1\lvert x\rvert\,\mathrm{d}x=2\int_0^1x\,\mathrm{d}x=1,
et
∣In−1∣≤(1−(−1))⋅1n=2n.\lvert I_n-1\rvert\leq(1-(-1))\cdot\frac1{\sqrt n}=\frac2{\sqrt n}.
Pour n=100n=100 : ∣I100−1∣≤210=0,2\lvert I_{100}-1\rvert\leq\dfrac2{10}=0{,}2.

In→1,∣In−1∣≤2n\boxed{I_n\to1,\qquad\lvert I_n-1\rvert\leq\frac2{\sqrt n}}
Question 3 : la valeur exacte, pour situer la majoration

Avec la formule admise, In=1+1n+1nargsh⁡nI_n=\sqrt{1+\tfrac1n}+\tfrac1n\operatorname{argsh}\sqrt n :

  • n=1n=1 : I1=2+argsh⁡1=2+ln⁡(1+2)≈1,4142+0,8814=2,2956I_1=\sqrt2+\operatorname{argsh}1=\sqrt2+\ln(1+\sqrt2)\approx1{,}4142+0{,}8814=2{,}2956 ;
  • n=4n=4 : I4≈1,4789I_4\approx1{,}4789 ;
  • n=100n=100 : I100=1,01+0,01argsh⁡10≈1,0350I_{100}=\sqrt{1{,}01}+0{,}01\operatorname{argsh}10\approx1{,}0350.

Donc ∣I100−1∣≈0,0350\lvert I_{100}-1\rvert\approx0{,}0350, bien en deçà de la majoration 0,20{,}2 : celle-ci est vraie (elle ne pouvait pas ne pas l'être) et lâche d'un facteur ≈6\approx6. Deux raisons à cet écart : la majoration remplace ∣fn−f∣\lvert f_n-f\rvert par son sup, atteint au seul point x=0x=0, alors que l'écart décroît vite en ∣x∣\lvert x\rvert ; et elle remplace l'intégrale de l'écart par « longueur ×\times sup ».

ℹ️ On peut faire mieux en intégrant l'écart exact : fn(x)−∣x∣=1/nx2+1/n+∣x∣f_n(x)-\lvert x\rvert=\dfrac{1/n}{\sqrt{x^2+1/n}+\lvert x\rvert}, et ∫−11\int_{-1}^1 de cette quantité est précisément In−1I_n-1. Mais la question 1 ne demandait qu'une borne, et une borne en 2n\dfrac{2}{\sqrt n} suffit à prouver la limite.

I100≈1,0350 : ∣I100−1∣≈0,035≤0,2\boxed{I_{100}\approx1{,}0350\ :\ \lvert I_{100}-1\rvert\approx0{,}035\leq0{,}2}
Rappel de cours

Interversion limite–intégrale sur un segment. Si fn→ff_n\to f uniformément sur [a,b][a,b] (fonctions continues), ∫abfn→∫abf\int_a^bf_n\to\int_a^bf. La preuve tient dans ∣∫abg∣≤(b−a)∥g∥∞\left\lvert\int_a^bg\right\rvert\leq(b-a)\lVert g\rVert_\infty.

Ce que « segment » interdit d'oublier : sur [0,+∞[[0,+\infty[, une suite qui converge uniformément peut avoir des intégrales qui ne convergent pas vers celle de la limite — le facteur (b−a)(b-a) n'existe plus. Ce cas relève du chapitre d'intégration de Lebesgue (convergence dominée).

L'erreur classique

⚠️ Oublier le facteur (b−a)(b-a). Écrire ∣∫ab(fn−f)∣≤∥fn−f∥∞\left\lvert\int_a^b(f_n-f)\right\rvert\leq\lVert f_n-f\rVert_\infty est faux sur un segment de longueur supérieure à 11. La constante s'intègre en (b−a)(b-a).

⚠️ Intervertir sans hypothèse. « fn→ff_n\to f donc ∫fn→∫f\int f_n\to\int f » est faux en convergence simple : la bosse glissante (B4) en est la preuve. L'hypothèse uniforme, ou une domination (chapitre Lebesgue), est indispensable.

⚠️ Prendre la majoration pour la valeur. 0,20{,}2 n'est pas ∣I100−1∣\lvert I_{100}-1\rvert ; c'est un plafond. Une inégalité générale est presque toujours lâche sur un exemple particulier.

À retenir

∣∫abfn−∫abf∣≤(b−a)∥fn−f∥∞\left\lvert\int_a^bf_n-\int_a^bf\right\rvert\leq(b-a)\lVert f_n-f\rVert_\infty : la convergence uniforme sur un segment passe à l'intégrale, avec cette vitesse.

Sur x2+1/n\sqrt{x^2+1/n} : In→1I_n\to1, borne 2n\tfrac2{\sqrt n}, valeur réelle ≈0,035\approx0{,}035 pour n=100n=100 contre 0,20{,}2 annoncés.

Réponse. ∣∫fn−∫f∣≤∫∣fn−f∣≤(b−a)∥fn−f∥∞\lvert\int f_n-\int f\rvert\leq\int\lvert f_n-f\rvert\leq(b-a)\lVert f_n-f\rVert_\infty ; In→∫−11∣x∣=1I_n\to\int_{-1}^1\lvert x\rvert=1, ∣In−1∣≤2n\lvert I_n-1\rvert\leq\tfrac2{\sqrt n} (0,20{,}2 pour n=100n=100) ; I1≈2,2956I_1\approx2{,}2956, I4≈1,4789I_4\approx1{,}4789, I100≈1,0350I_{100}\approx1{,}0350 (écart réel 0,0350{,}035).
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La bosse glissante : sans convergence uniforme, l'aire ne suit pas

CalculDifficulté 3/5

Pour n≥1n\geq1 et x∈[0,1]x\in[0,1], on pose fn(x)=nxe−nx2f_n(x)=nxe^{-nx^2}. 1. Montrer que (fn)(f_n) converge simplement vers 00 sur [0,1][0,1]. 2. Calculer ∫01fn(x) dx\displaystyle\int_0^1f_n(x)\,\mathrm{d}x et sa limite. Que conclure quant à la convergence uniforme ? 3. Retrouver cette conclusion par le calcul de ∥fn∥∞\lVert f_n\rVert_\infty : préciser le point du maximum et sa valeur pour n=2n=2, 88 et 3232.

Indices (3)

À x>0x>0 fixé, nxe−nx2=x⋅ne−nx2nxe^{-nx^2}=x\cdot ne^{-nx^2} : croissances comparées en nn.

xe−nx2xe^{-nx^2} a pour primitive −12ne−nx2-\dfrac1{2n}e^{-nx^2}.

fn′(x)=ne−nx2(1−2nx2)f_n'(x)=ne^{-nx^2}(1-2nx^2) : maximum en x=12nx=\dfrac1{\sqrt{2n}}.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le contre-exemple qui justifie l'hypothèse uniforme de B3. La suite converge simplement vers 00 — la fonction nulle, d'intégrale nulle — et pourtant ∫01fn\int_0^1f_n tend vers 12\dfrac12. Il n'y a aucune contradiction : le théorème B3 exige la convergence uniforme, et elle n'a pas lieu. Géométriquement, fnf_n est une bosse qui se rapproche de 00 en montant (hauteur n/(2e)→+∞\sqrt{n/(2e)}\to+\infty) tout en gardant une aire proche de 12\dfrac12 : elle finit par quitter chaque point x>0x>0, mais à chaque instant elle est quelque part, avec toute son aire.

👉 Deux façons de réfuter la convergence uniforme se rejoignent ici : par l'intégrale (contraposée de B3) et par le sup (méthode directe). La première ne demande qu'un calcul de primitive.

Question 1 : la limite simple est nulle

fn(0)=0f_n(0)=0. Pour x∈]0,1]x\in]0,1] fixé, posons u=nx2→+∞u=nx^2\to+\infty : fn(x)=nxe−nx2=1x⋅u e−u→0f_n(x)=nxe^{-nx^2}=\dfrac1x\cdot u\,e^{-u}\to0 par croissances comparées. Donc fn→0f_n\to0 simplement sur [0,1][0,1].

fn→0 simplement sur [0,1]\boxed{f_n\to0\ \text{simplement sur }[0,1]}

La limite est continue : la contraposée de B1 ne dit rien, il faut calculer.

Question 2 : l'aire ne tend pas vers zéro

Une primitive de xe−nx2xe^{-nx^2} est −12ne−nx2-\dfrac1{2n}e^{-nx^2}, donc

∫01nxe−nx2 dx=n[−e−nx22n]01=1−e−n2→n→∞12.\int_0^1nxe^{-nx^2}\,\mathrm{d}x=n\left[-\frac{e^{-nx^2}}{2n}\right]_0^1=\frac{1-e^{-n}}2\xrightarrow[n\to\infty]{}\frac12.
Valeurs : 1−e−12≈0,316\dfrac{1-e^{-1}}2\approx0{,}316 (n=1n=1), 1−e−22≈0,432\dfrac{1-e^{-2}}2\approx0{,}432 (n=2n=2), 1−e−82≈0,4998\dfrac{1-e^{-8}}2\approx0{,}4998 (n=8n=8), 1−e−102≈0,49998\dfrac{1-e^{-10}}2\approx0{,}49998 (n=10n=10).

Or ∫01lim⁡fn=∫010=0≠12\int_0^1\lim f_n=\int_0^10=0\neq\dfrac12. Si la convergence était uniforme sur [0,1][0,1], le théorème B3 imposerait ∫01fn→0\int_0^1f_n\to0. Elle ne l'est donc pas.

∫01fn=1−e−n2→12≠0 : pas de convergence uniforme sur [0,1]\boxed{\int_0^1f_n=\frac{1-e^{-n}}2\to\frac12\neq0\ :\ \text{pas de convergence uniforme sur }[0,1]}
Question 3 : le sup monte à l'infini
fn′(x)=ne−nx2+nx⋅(−2nx)e−nx2=ne−nx2(1−2nx2).f_n'(x)=ne^{-nx^2}+nx\cdot(-2nx)e^{-nx^2}=ne^{-nx^2}\bigl(1-2nx^2\bigr).

Le signe est celui de 1−2nx21-2nx^2 : fnf_n croît jusqu'à xn=12nx_n=\dfrac1{\sqrt{2n}} (qui est dans [0,1][0,1] dès n≥1n\geq1) puis décroît. Le maximum vaut

∥fn∥∞=fn(xn)=n2ne−1/2=n2e→n→∞+∞.\lVert f_n\rVert_\infty=f_n(x_n)=\frac{n}{\sqrt{2n}}e^{-1/2}=\sqrt{\frac n{2e}}\xrightarrow[n\to\infty]{}+\infty.
Non seulement la norme sup ne tend pas vers 00 : elle diverge. Valeurs : pour n=2n=2, sommet en x=12x=\tfrac12 de hauteur e−1/2≈0,607e^{-1/2}\approx0{,}607 ; pour n=8n=8, sommet en x=14x=\tfrac14 de hauteur 2e≈1,213\tfrac2{\sqrt e}\approx1{,}213 ; pour n=32n=32, sommet en x=18x=\tfrac18 de hauteur 4e≈2,426\tfrac4{\sqrt e}\approx2{,}426. La bosse se rapproche de 00 (abscisse 12n\tfrac1{\sqrt{2n}}) en montant (hauteur ∝n\propto\sqrt n), et sa largeur, en 1n\tfrac1{\sqrt n}, se resserre juste assez pour que l'aire reste ≈12\approx\tfrac12.

∥fn∥∞=n2e en x=12n : 0,607 (n=2), 1,213 (n=8), 2,426 (n=32)\boxed{\lVert f_n\rVert_\infty=\sqrt{\frac n{2e}}\ \text{en }x=\frac1{\sqrt{2n}}\ :\ 0{,}607\ (n=2),\ 1{,}213\ (n=8),\ 2{,}426\ (n=32)}

ℹ️ Sur [a,1][a,1] avec a>0a>0, tout se calme : pour n>12a2n>\tfrac1{2a^2}, fnf_n décroît sur [a,1][a,1] et ∥fn∥∞,[a,1]=nae−na2→0\lVert f_n\rVert_{\infty,[a,1]}=nae^{-na^2}\to0. Convergence uniforme sur tout segment de ]0,1]]0,1], et ∫a1fn→0\int_a^1f_n\to0 — l'aire se concentre dans [0,a][0,a].

Rappel de cours

L'interversion limite–intégrale n'est pas automatique. Elle est garantie par la convergence uniforme sur un segment (B3). Sans elle, lim⁡∫fn\lim\int f_n et ∫lim⁡fn\int\lim f_n peuvent différer — ici 12\tfrac12 contre 00.

Contraposée de B3 : si ∫abfn↛∫abf\int_a^bf_n\not\to\int_a^bf, la convergence n'est pas uniforme sur [a,b][a,b]. C'est un test de non-uniformité qui ne demande qu'un calcul de primitive.

Le même exemple, côté mesure : au chapitre de Lebesgue, cette bosse est le contre-exemple standard à une convergence dominée sans domination — aucune fonction intégrable fixe ne majore tous les fnf_n.

L'erreur classique

⚠️ « fn→0f_n\to0 donc ∫fn→0\int f_n\to0. » C'est exactement l'interversion non justifiée. Toujours nommer l'hypothèse qui l'autorise, et vérifier qu'elle est satisfaite.

⚠️ Croire que l'aire qui « part » est perdue. Elle ne part pas : elle se concentre dans [0,a][0,a] pour tout a>0a>0, sans jamais atteindre x=0x=0 où fnf_n est nulle. lim⁡∫=12\lim\int=\tfrac12 compte cette aire ; ∫lim⁡=0\int\lim=0 ne la voit pas, parce qu'à chaque point elle est passée.

⚠️ Se tromper de dérivée. (e−nx2)′=−2nxe−nx2\left(e^{-nx^2}\right)'=-2nxe^{-nx^2} : le facteur 2nx2nx vient de la dérivée de −nx2-nx^2. Un oubli du 22 déplace le maximum en 1n\tfrac1{\sqrt n} et fausse la hauteur.

À retenir

Bosse glissante : fn=nxe−nx2→0f_n=nxe^{-nx^2}\to0 simplement sur [0,1][0,1], ∫01fn=1−e−n2→12\int_0^1f_n=\tfrac{1-e^{-n}}2\to\tfrac12, ∥fn∥∞=n/(2e)→+∞\lVert f_n\rVert_\infty=\sqrt{n/(2e)}\to+\infty.

Deux tests de non-uniformité : l'intégrale qui ne passe pas à la limite (contraposée de B3), et le sup qui ne tend pas vers 00. Ici les deux concluent, et le premier est le plus rapide.

Réponse. CS vers 00 ; ∫01fn=1−e−n2→12≠0\int_0^1f_n=\tfrac{1-e^{-n}}2\to\tfrac12\neq0 : pas de CU ; fn′=ne−nx2(1−2nx2)f_n'=ne^{-nx^2}(1-2nx^2), maximum n/(2e)\sqrt{n/(2e)} en 12n\tfrac1{\sqrt{2n}} : 0,6070{,}607 (n=2n=2, en 12\tfrac12), 1,2131{,}213 (n=8n=8, en 14\tfrac14), 2,4262{,}426 (n=32n=32, en 18\tfrac18). (Recoupement : aires 0,4320{,}432, 0,49980{,}4998, 0,50000{,}5000 ✓)
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Trois suites, trois verdicts : la convergence uniforme est suffisante, pas nécessaire

CalculDifficulté 3/5

Sur [0,1][0,1], on considère an(x)=xna_n(x)=x^n, bn(x)=nxe−nxb_n(x)=nxe^{-nx} et cn(x)=n2xe−nxc_n(x)=n^2xe^{-nx}. Les trois suites convergent simplement vers 00 (exercices A1 et A2 pour les deux premières ; on l'admettra pour la troisième après l'avoir justifié brièvement). 1. Calculer ∫01an\displaystyle\int_0^1a_n, ∫01bn\displaystyle\int_0^1b_n et ∫01cn\displaystyle\int_0^1c_n, et leurs limites. 2. Pour lesquelles de ces suites l'interversion limite–intégrale a-t-elle lieu ? Pour lesquelles la convergence est-elle uniforme ? 3. Calculer ∥cn∥∞\lVert c_n\rVert_\infty et commenter.

Indices (3)

∫01xe−nx dx\displaystyle\int_0^1xe^{-nx}\,\mathrm{d}x par parties, ou en dérivant ∫01e−nx dx=1−e−nn\displaystyle\int_0^1e^{-nx}\,\mathrm{d}x=\dfrac{1-e^{-n}}n par rapport à nn.

ana_n et bnb_n ne convergent pas uniformément (A1, A2) ; pourtant leurs intégrales tendent vers 00.

cn=n bnc_n=n\,b_n : le sup est multiplié par nn.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Un théorème donne une condition suffisante. Il ne dit rien quand elle n'est pas remplie. B3 affirme : convergence uniforme ⇒\Rightarrow interversion. Il ne dit pas : pas de convergence uniforme ⇒\Rightarrow pas d'interversion. Sur les trois suites, aucune ne converge uniformément, et pourtant l'interversion a lieu pour deux d'entre elles. Seule la troisième — la bosse trop haute — la met en défaut.

👉 C'est un exercice de logique autant que de calcul : savoir ce qu'un théorème permet de conclure, et ce qu'il laisse ouvert. Et une leçon pratique : pour décider si ∫fn→∫f\int f_n\to\int f, quand la convergence uniforme manque, il faut calculer.

Question 1 : trois intégrales

ana_n. ∫01xn dx=1n+1→0\displaystyle\int_0^1x^n\,\mathrm{d}x=\frac1{n+1}\to0.

bnb_n. Par parties, avec u=xu=x, v′=e−nxv'=e^{-nx} (v=−1ne−nxv=-\tfrac1ne^{-nx}) :

∫01xe−nx dx=[−xe−nxn]01+1n∫01e−nx dx=−e−nn+1−e−nn2=1−(n+1)e−nn2.\int_0^1xe^{-nx}\,\mathrm{d}x=\left[-\frac{xe^{-nx}}n\right]_0^1+\frac1n\int_0^1e^{-nx}\,\mathrm{d}x=-\frac{e^{-n}}n+\frac{1-e^{-n}}{n^2}=\frac{1-(n+1)e^{-n}}{n^2}.
Donc ∫01bn=n⋅1−(n+1)e−nn2=1−(n+1)e−nn→0\displaystyle\int_0^1b_n=n\cdot\frac{1-(n+1)e^{-n}}{n^2}=\frac{1-(n+1)e^{-n}}n\to0. Pour n=10n=10 : ≈0,09995\approx0{,}09995.

cnc_n. ∫01cn=n2⋅1−(n+1)e−nn2=1−(n+1)e−n→1\displaystyle\int_0^1c_n=n^2\cdot\frac{1-(n+1)e^{-n}}{n^2}=1-(n+1)e^{-n}\to1. Pour n=10n=10 : ≈0,9995\approx0{,}9995.

(Convergence simple de cnc_n : à x>0x>0 fixé, n2xe−nx=1x(nx)2e−nx→0n^2xe^{-nx}=\tfrac1x(nx)^2e^{-nx}\to0 par croissances comparées ; cn(0)=0c_n(0)=0.)

∫01an=1n+1→0,∫01bn=1−(n+1)e−nn→0,∫01cn=1−(n+1)e−n→1\boxed{\int_0^1a_n=\frac1{n+1}\to0,\quad\int_0^1b_n=\frac{1-(n+1)e^{-n}}n\to0,\quad\int_0^1c_n=1-(n+1)e^{-n}\to1}
Question 2 : le tableau des verdicts
suite convergence uniforme sur [0,1][0,1] ? lim⁡∫01fn\lim\int_0^1f_n ∫01lim⁡fn\int_0^1\lim f_n interversion ?
an=xna_n=x^n non (sup =1=1) 00 00 oui
bn=nxe−nxb_n=nxe^{-nx} non (sup =e−1=e^{-1}) 00 00 oui
cn=n2xe−nxc_n=n^2xe^{-nx} non (sup →+∞\to+\infty) 11 00 non

Les deux premières lignes montrent que l'interversion peut avoir lieu sans convergence uniforme : B3 est une condition suffisante, pas nécessaire. La troisième montre qu'elle peut échouer — et alors la convergence uniforme est nécessairement absente (contraposée de B3), ce que le sup confirme.

interversion pour an et bn (sans CU) ; eˊchec pour cn\boxed{\text{interversion pour }a_n\text{ et }b_n\text{ (sans CU) ; échec pour }c_n}
Question 3 : la hauteur de la bosse décide

cn=n bnc_n=n\,b_n, et bnb_n atteint son maximum e−1e^{-1} en x=1nx=\tfrac1n (A2). Donc

∥cn∥∞=n⋅e−1=ne→n→∞+∞,\lVert c_n\rVert_\infty=n\cdot e^{-1}=\frac ne\xrightarrow[n\to\infty]{}+\infty,
par exemple ∥c10∥∞=10e≈3,68\lVert c_{10}\rVert_\infty=\dfrac{10}e\approx3{,}68. Comparer les trois bosses : ana_n n'a pas de bosse (croissante, sup au bord), bnb_n est une bosse de hauteur constante e−1e^{-1} et de largeur ∼1n\sim\tfrac1n — son aire, ∼1n\sim\tfrac1n, s'évanouit ; cnc_n est une bosse de hauteur ne\tfrac ne et de largeur ∼1n\sim\tfrac1n — son aire, ∼1\sim1, ne s'évanouit pas.

Le critère caché : pour une bosse de hauteur hnh_n et de largeur ℓn\ell_n, l'aire est ≈hnℓn\approx h_n\ell_n. L'interversion avec la limite 00 a lieu quand hnℓn→0h_n\ell_n\to0, ce qui n'a rien à voir avec hn→0h_n\to0 (la convergence uniforme). C'est ce que formalise la convergence dominée du chapitre de Lebesgue : ce qui compte est une domination intégrable, pas la hauteur.

∥cn∥∞=ne→+∞ ; l’aire ≈hauteur×largeur deˊcide de l’interversion\boxed{\lVert c_n\rVert_\infty=\frac ne\to+\infty\ ;\ \text{l'aire }\approx\text{hauteur}\times\text{largeur décide de l'interversion}}
Rappel de cours

B3 est une implication : CU sur [a,b][a,b] ⇒\Rightarrow ∫abfn→∫abf\int_a^bf_n\to\int_a^bf. Elle a une contraposée (intégrales qui ne convergent pas ⇒\Rightarrow pas de CU) et pas de réciproque.

Sans convergence uniforme, l'interversion est une question ouverte, à trancher par le calcul — ou par un théorème plus fort (convergence dominée), hors de ce chapitre.

L'erreur classique

⚠️ « Pas de convergence uniforme, donc les intégrales ne convergent pas. » C'est nier l'hypothèse pour nier la conclusion — une faute de logique. xnx^n et nxe−nxnxe^{-nx} la réfutent.

⚠️ Confondre bnb_n et cnc_n. Un facteur nn change tout : bnb_n a une aire ∼1n\sim\tfrac1n, cnc_n une aire ∼1\sim1. Le sup passe de e−1e^{-1} à ne\tfrac ne.

⚠️ Intégrer xe−nxxe^{-nx} de tête. Le résultat 1−(n+1)e−nn2\dfrac{1-(n+1)e^{-n}}{n^2} porte un (n+1)(n+1) qui vient du terme de bord ; un (1−e−n)/n2(1-e^{-n})/n^2 serait faux.

À retenir

Condition suffisante, pas nécessaire. Trois suites sans convergence uniforme : deux interversions vraies (xnx^n, nxe−nxnxe^{-nx}), une fausse (n2xe−nxn^2xe^{-nx}).

Ce qui décide vraiment : l'aire de la bosse, hauteur ×\times largeur. Le chapitre de Lebesgue en fait un théorème ; ici, on calcule.

Réponse. ∫an=1n+1→0\int a_n=\tfrac1{n+1}\to0, ∫bn=1−(n+1)e−nn→0\int b_n=\tfrac{1-(n+1)e^{-n}}n\to0 (0,099950{,}09995 pour n=10n=10), ∫cn=1−(n+1)e−n→1\int c_n=1-(n+1)e^{-n}\to1 (0,99950{,}9995) ; aucune CU ; interversion vraie pour ana_n, bnb_n, fausse pour cnc_n ; ∥cn∥∞=ne\lVert c_n\rVert_\infty=\tfrac ne (10e≈3,68\tfrac{10}e\approx3{,}68).
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Ce que la convergence uniforme ne fait pas : dériver

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Sur R\mathbb{R}, fn(x)=sin⁡(nx)nf_n(x)=\dfrac{\sin(nx)}{\sqrt n}. Montrer que (fn)(f_n) converge uniformément vers 00, calculer fn′f_n' et montrer que (fn′)(f_n') ne converge pas, même simplement, en x=0x=0. 2. Sur R\mathbb{R}, gn(x)=x+sin⁡(nx)n2g_n(x)=x+\dfrac{\sin(nx)}{n^2}. Montrer que (gn)(g_n) converge uniformément vers g(x)=xg(x)=x et que (gn′)(g_n') converge uniformément vers g′g'. 3. Énoncer le théorème de dérivation d'une suite de fonctions, et dire lesquelles de ses hypothèses manquent dans la question 1 et dans l'exemple x2+1/n\sqrt{x^2+1/n} (A3).

Indices (3)

∣sin⁡∣≤1\lvert\sin\rvert\leq1, donc ∥fn∥∞≤1n\lVert f_n\rVert_\infty\leq\dfrac1{\sqrt n}.

fn′(x)=ncos⁡(nx)f_n'(x)=\sqrt n\cos(nx) vaut n\sqrt n en 00.

gn′(x)=1+cos⁡(nx)ng_n'(x)=1+\dfrac{\cos(nx)}n.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

La convergence uniforme contrôle les valeurs, pas les pentes. Une fonction peut osciller très vite avec une amplitude minuscule : elle est uniformément proche de 00, et sa dérivée est énorme. C'est sin⁡(nx)n\dfrac{\sin(nx)}{\sqrt n} — amplitude 1n→0\tfrac1{\sqrt n}\to0, pente n→+∞\sqrt n\to+\infty. À l'inverse, dès que les dérivées convergent uniformément, tout va bien (gng_n).

👉 Le théorème de dérivation (section C) est donc formulé sur les dérivées : convergence uniforme de (fn′)(f_n'), plus la convergence de (fn)(f_n) en un point pour fixer la constante. Cet exercice montre, sur deux exemples, pourquoi chaque hypothèse est là.

Question 1 : uniforme vers zéro, dérivées qui explosent

Pour tout xx, ∣fn(x)∣=∣sin⁡(nx)∣n≤1n\lvert f_n(x)\rvert=\dfrac{\lvert\sin(nx)\rvert}{\sqrt n}\leq\dfrac1{\sqrt n}, et la borne est atteinte (en x=π2nx=\tfrac\pi{2n}). Donc ∥fn∥∞=1n→0\lVert f_n\rVert_\infty=\dfrac1{\sqrt n}\to0 : convergence uniforme sur R\mathbb{R} vers 00. Pour n=100n=100, la courbe de fnf_n est dans la bande [−0,1;0,1][-0{,}1;0{,}1].

Chaque fnf_n est C1\mathcal{C}^1 avec

fn′(x)=ncos⁡(nx)n=ncos⁡(nx).f_n'(x)=\frac{n\cos(nx)}{\sqrt n}=\sqrt n\cos(nx).
En x=0x=0 : fn′(0)=n→+∞f_n'(0)=\sqrt n\to+\infty — pour n=100n=100, f100′(0)=10f_{100}'(0)=10 alors que ∥f100∥∞=0,1\lVert f_{100}\rVert_\infty=0{,}1. La suite (fn′)(f_n') ne converge pas en 00 (ni d'ailleurs en aucun point : ncos⁡(nx)\sqrt n\cos(nx) n'a pas de limite). La limite 00 est bien dérivable, de dérivée 00 — mais ce n'est pas la limite des dérivées, qui n'existe pas.

∥fn∥∞=1n→0 (CU),fn′(0)=n→+∞\boxed{\lVert f_n\rVert_\infty=\frac1{\sqrt n}\to0\ \text{(CU)},\quad f_n'(0)=\sqrt n\to+\infty}
Question 2 : quand les dérivées convergent, tout suit

∣gn(x)−x∣=∣sin⁡(nx)∣n2≤1n2\lvert g_n(x)-x\rvert=\dfrac{\lvert\sin(nx)\rvert}{n^2}\leq\dfrac1{n^2} : ∥gn−g∥∞≤1n2→0\lVert g_n-g\rVert_\infty\leq\dfrac1{n^2}\to0, convergence uniforme sur R\mathbb{R} vers g(x)=xg(x)=x.

Et gn′(x)=1+ncos⁡(nx)n2=1+cos⁡(nx)ng_n'(x)=1+\dfrac{n\cos(nx)}{n^2}=1+\dfrac{\cos(nx)}n, donc ∣gn′(x)−1∣≤1n\lvert g_n'(x)-1\rvert\leq\dfrac1n : (gn′)(g_n') converge uniformément vers la fonction constante 1=g′1=g'. Ici la dérivée de la limite est la limite des dérivées — c'est le théorème de la section C, dont toutes les hypothèses sont réunies.

∥gn−g∥∞≤1n2,∥gn′−g′∥∞≤1n : g′=lim⁡gn′\boxed{\lVert g_n-g\rVert_\infty\leq\frac1{n^2},\quad\lVert g_n'-g'\rVert_\infty\leq\frac1n\ :\ g'=\lim g_n'}

ℹ️ La différence avec fnf_n : l'oscillation sin⁡(nx)\sin(nx) est divisée par n2n^2 au lieu de n\sqrt n. En dérivant, on multiplie par nn ; il faut donc que l'amplitude décroisse plus vite que 1n\tfrac1n pour que les dérivées convergent. 1n⋅n=n\tfrac1{\sqrt n}\cdot n=\sqrt n diverge ; 1n2⋅n=1n\tfrac1{n^2}\cdot n=\tfrac1n tend vers 00.

Question 3 : le théorème, et ce qui manque à chaque contre-exemple

Théorème de dérivation. Soit (fn)(f_n) une suite de fonctions de classe C1\mathcal{C}^1 sur un intervalle II. Si

  1. (fn′)(f_n') converge uniformément sur tout segment de II vers une fonction hh,
  2. (fn(x0))(f_n(x_0)) converge pour un point x0∈Ix_0\in I,

alors (fn)(f_n) converge uniformément sur tout segment de II vers une fonction ff de classe C1\mathcal{C}^1, et f′=hf'=h. (Démontré en C1.)

Ce qui manque à sin⁡(nx)n\dfrac{\sin(nx)}{\sqrt n} : l'hypothèse 1. Les dérivées ncos⁡(nx)\sqrt n\cos(nx) ne convergent nulle part — et le théorème, n'ayant pas ses hypothèses, ne dit rien ; la limite est dérivable « par hasard », de dérivée 00 qui n'est la limite de rien.

Ce qui manque à x2+1/n\sqrt{x^2+1/n} : l'hypothèse 1 encore. Les dérivées xx2+1/n\dfrac x{\sqrt{x^2+1/n}} convergent simplement vers sgn⁡(x)\operatorname{sgn}(x) (avec la valeur 00 en 00), fonction discontinue : la convergence des dérivées n'est pas uniforme sur un voisinage de 00 (contraposée de B1). Et de fait la limite ∣x∣\lvert x\rvert n'est pas dérivable en 00.

CU des fn′ + convergence en un point ⇒ f∈C1, f′=lim⁡fn′\boxed{\text{CU des }f_n'\ +\ \text{convergence en un point}\ \Rightarrow\ f\in\mathcal{C}^1,\ f'=\lim f_n'}
Rappel de cours

La convergence uniforme de (fn)(f_n) ne dit rien de (fn′)(f_n'). Dériver amplifie les oscillations rapides : sin⁡(nx)\sin(nx) devient ncos⁡(nx)n\cos(nx).

Théorème de dérivation : hypothèses sur les dérivées (convergence uniforme sur tout segment) plus une convergence ponctuelle des fnf_n. Conclusion : f∈C1f\in\mathcal{C}^1 et f′=lim⁡fn′f'=\lim f_n', avec convergence uniforme des fnf_n sur tout segment. En pratique, pour une série, on établit la convergence normale de ∑un′\sum u_n' sur tout segment.

L'erreur classique

⚠️ Dériver une limite uniforme terme à terme sans hypothèse sur les dérivées. C'est la méprise centrale : lim⁡fn\lim f_n dérivable et lim⁡fn′\lim f_n' existent parfois, mais rien ne les relie sans le théorème.

⚠️ Conclure « ff n'est pas dérivable » du seul fait que les dérivées divergent. sin⁡(nx)n→0\dfrac{\sin(nx)}{\sqrt n}\to0, qui est dérivable. L'absence d'hypothèses ne donne aucune conclusion, ni dans un sens ni dans l'autre.

⚠️ Oublier la convergence en un point. Avec fn(x)=x+nf_n(x)=x+n, les dérivées fn′=1f_n'=1 convergent uniformément, et (fn)(f_n) ne converge nulle part. La constante d'intégration doit être fixée quelque part.

À retenir

sin⁡(nx)n\dfrac{\sin(nx)}{\sqrt n} : uniformément vers 00, dérivées ncos⁡(nx)\sqrt n\cos(nx) divergentes. x+sin⁡(nx)n2x+\dfrac{\sin(nx)}{n^2} : tout converge, et g′=lim⁡gn′g'=\lim g_n'.

Le théorème de dérivation se lit sur les dérivées : convergence uniforme de (fn′)(f_n') sur tout segment, et convergence de (fn)(f_n) en un point. Sans lui, aucune conclusion.

Réponse. ∥fn∥∞=1n→0\lVert f_n\rVert_\infty=\tfrac1{\sqrt n}\to0 (CU) mais fn′(0)=n→+∞f_n'(0)=\sqrt n\to+\infty ; ∥gn−x∥≤1n2\lVert g_n-x\rVert\leq\tfrac1{n^2}, ∥gn′−1∥≤1n\lVert g_n'-1\rVert\leq\tfrac1n : g′=lim⁡gn′g'=\lim g_n' ; théorème : CU des fn′f_n' sur tout segment + convergence en un point ; manque à sin⁡(nx)/n\sin(nx)/\sqrt n et à x2+1/n\sqrt{x^2+1/n} (dérivées →sgn⁡\to\operatorname{sgn}, non uniforme).
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Normale, uniforme, simple : la chaîne d'implications, et un M-test

DémonstrationDifficulté 3/5

1. Soit ∑un\sum u_n une série de fonctions bornées sur II qui converge normalement (∑∥un∥∞<+∞\sum\lVert u_n\rVert_\infty<+\infty). Montrer qu'elle converge uniformément sur II, puis simplement. 2. Pour n≥1n\geq1 et x≥0x\geq0, on pose un(x)=x2e−nxu_n(x)=x^2e^{-nx}. Calculer ∥un∥∞\lVert u_n\rVert_\infty sur [0,+∞[[0,+\infty[ et en déduire que ∑un\sum u_n converge normalement sur [0,+∞[[0,+\infty[ ; donner la valeur de ∑∥un∥∞\sum\lVert u_n\rVert_\infty. 3. Calculer la somme S(x)=∑n≥1un(x)S(x)=\sum_{n\geq1}u_n(x) pour x>0x>0, et les valeurs S(1)S(1) et S(2)S(2).

Indices (3)

Le reste RN=∑n>NunR_N=\sum_{n>N}u_n se majore terme à terme par ∑n>N∥un∥∞\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty, qui ne dépend pas de xx.

un′(x)=xe−nx(2−nx)u_n'(x)=xe^{-nx}(2-nx) : le maximum est en x=2nx=\tfrac2n.

À x>0x>0 fixé, ∑e−nx\sum e^{-nx} est géométrique de raison e−x<1e^{-x}<1.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Trois convergences, une chaîne. Pour une série de fonctions, la convergence normale (∑∥un∥∞\sum\lVert u_n\rVert_\infty converge) est la plus forte, la convergence uniforme (le reste RNR_N vérifie ∥RN∥∞→0\lVert R_N\rVert_\infty\to0) est au milieu, la convergence simple (à chaque xx, ∑un(x)\sum u_n(x) converge) est la plus faible. On a CN⇒CU⇒CS\text{CN}\Rightarrow\text{CU}\Rightarrow\text{CS}, et aucune réciproque (E5 pour CU sans CN ; xnx^n pour CS sans CU).

👉 La convergence normale est la seule des trois qui se teste sans connaître la somme : il suffit de majorer ∣un(x)∣\lvert u_n(x)\rvert par un nombre MnM_n indépendant de xx, avec ∑Mn<+∞\sum M_n<+\infty — c'est le test de Weierstrass. C'est elle qu'on établit en pratique, et l'uniforme en découle.

Question 1 : la chaîne normale, uniforme, simple — démontrée

CN ⇒\Rightarrow CS. Fixons x∈Ix\in I. Pour tout nn, ∣un(x)∣≤∥un∥∞\lvert u_n(x)\rvert\leq\lVert u_n\rVert_\infty, et ∑∥un∥∞\sum\lVert u_n\rVert_\infty converge : par comparaison, ∑∣un(x)∣\sum\lvert u_n(x)\rvert converge, donc ∑un(x)\sum u_n(x) converge absolument, a fortiori converge. La somme S(x)=∑n≥0un(x)S(x)=\sum_{n\geq0}u_n(x) est définie pour chaque xx : convergence simple.

CN ⇒\Rightarrow CU. Notons SN=∑n≤NunS_N=\sum_{n\leq N}u_n et RN=S−SN=∑n>NunR_N=S-S_N=\sum_{n>N}u_n le reste (défini point par point, puisque la série converge simplement). Pour tout x∈Ix\in I,

∣RN(x)∣=∣∑n>Nun(x)∣≤∑n>N∣un(x)∣≤∑n>N∥un∥∞=:ρN.\lvert R_N(x)\rvert=\Bigl\lvert\sum_{n>N}u_n(x)\Bigr\rvert\leq\sum_{n>N}\lvert u_n(x)\rvert\leq\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty=:\rho_N.
Le majorant ρN\rho_N est le reste d'une série numérique convergente : il tend vers 00, et il ne dépend pas de xx. Donc ∥RN∥∞≤ρN→0\lVert R_N\rVert_\infty\leq\rho_N\to0 : la suite (SN)(S_N) converge uniformément vers SS sur II. ■\blacksquare

CU ⇒\Rightarrow CS. Si ∥SN−S∥∞→0\lVert S_N-S\rVert_\infty\to0, alors pour chaque xx, ∣SN(x)−S(x)∣≤∥SN−S∥∞→0\lvert S_N(x)-S(x)\rvert\leq\lVert S_N-S\rVert_\infty\to0 : c'est la remarque de A1 appliquée à la suite (SN)(S_N). ■\blacksquare

∑∥un∥∞<+∞ ⇒ ∥RN∥∞≤∑n>N∥un∥∞→0 ⇒ CU ⇒ CS\boxed{\sum\lVert u_n\rVert_\infty<+\infty\ \Rightarrow\ \lVert R_N\rVert_\infty\leq\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty\to0\ \Rightarrow\ \text{CU}\ \Rightarrow\ \text{CS}}

ℹ️ Le point décisif est le passage au sup dans une inégalité qui ne dépend pas de xx : ∣RN(x)∣≤ρN\lvert R_N(x)\rvert\leq\rho_N pour tout xx donne sup⁡x∣RN(x)∣≤ρN\sup_x\lvert R_N(x)\rvert\leq\rho_N. C'est exactement ce que la convergence simple ne fournit pas — le rang à partir duquel ∣RN(x)∣<ε\lvert R_N(x)\rvert<\varepsilon y dépend de xx.

Question 2 : le sup de x²e^{-nx}, et la série de Riemann qui en sort

À nn fixé, un(x)=x2e−nxu_n(x)=x^2e^{-nx} est positive, nulle en 00, tend vers 00 en +∞+\infty (croissances comparées), et

un′(x)=2xe−nx−nx2e−nx=xe−nx(2−nx).u_n'(x)=2xe^{-nx}-nx^2e^{-nx}=xe^{-nx}(2-nx).
Elle est croissante sur [0,2n]\left[0,\tfrac2n\right], décroissante ensuite : le maximum est atteint en x=2nx=\tfrac2n et vaut
∥un∥∞=un ⁣(2n)=4n2e−2=4e−2n2,4e−2≈0,541341.\lVert u_n\rVert_\infty=u_n\!\left(\tfrac2n\right)=\frac4{n^2}e^{-2}=\frac{4e^{-2}}{n^2},\qquad 4e^{-2}\approx0{,}541341.
Ce majorant est indépendant de xx et ∑1n2\sum\dfrac1{n^2} converge (Riemann, exposant 2>12>1) : la série ∑un\sum u_n converge normalement sur [0,+∞[[0,+\infty[, donc uniformément, donc simplement. Et la somme des normes se calcule :
∑n≥1∥un∥∞=4e−2∑n≥11n2=4e−2⋅π26=2π23e2≈0,89047.\sum_{n\geq1}\lVert u_n\rVert_\infty=4e^{-2}\sum_{n\geq1}\frac1{n^2}=4e^{-2}\cdot\frac{\pi^2}6=\frac{2\pi^2}{3e^2}\approx0{,}89047.

∥un∥∞=4e−2n2 (en x=2n),∑∥un∥∞=2π23e2≈0,890\boxed{\lVert u_n\rVert_\infty=\frac{4e^{-2}}{n^2}\ \text{(en }x=\tfrac2n\text{)},\qquad\sum\lVert u_n\rVert_\infty=\frac{2\pi^2}{3e^2}\approx0{,}890}

⚠️ Le sup est atteint ici ([0,+∞[[0,+\infty[ est fermé en 00 et unu_n tend vers 00 à l'infini) : on peut dire « maximum ». Ce ne sera pas le cas de ζ\zeta sur ]1,+∞[]1,+\infty[ (E2).

Question 3 : la somme, par la série géométrique

Fixons x>0x>0. Alors un(x)=x2(e−x)nu_n(x)=x^2\left(e^{-x}\right)^n et q=e−x∈]0,1[q=e^{-x}\in]0,1[ :

S(x)=x2∑n≥1qn=x2⋅q1−q=x2⋅e−x1−e−x=x2ex−1.S(x)=x^2\sum_{n\geq1}q^n=x^2\cdot\frac q{1-q}=x^2\cdot\frac{e^{-x}}{1-e^{-x}}=\frac{x^2}{e^x-1}.
En x=0x=0, tous les un(0)u_n(0) sont nuls et S(0)=0S(0)=0 — ce qui est bien la limite de x2ex−1∼x2x=x→0\dfrac{x^2}{e^x-1}\sim\dfrac{x^2}x=x\to0 : la somme est continue en 00, comme le prédit la convergence uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[ (les unu_n sont continues).

Valeurs : S(1)=1e−1≈0,581977S(1)=\dfrac1{e-1}\approx0{,}581977 et S(2)=4e2−1≈0,626071S(2)=\dfrac4{e^2-1}\approx0{,}626071. Recoupement de S(1)S(1) par la somme numérique ∑n≥1e−n=e−11−e−1=1e−1\sum_{n\geq1}e^{-n}=\dfrac{e^{-1}}{1-e^{-1}}=\dfrac1{e-1} ✓.

S(x)=x2ex−1 (x>0), S(0)=0,S(1)=1e−1≈0,582,S(2)=4e2−1≈0,626\boxed{S(x)=\frac{x^2}{e^x-1}\ (x>0),\ S(0)=0,\qquad S(1)=\frac1{e-1}\approx0{,}582,\quad S(2)=\frac4{e^2-1}\approx0{,}626}
Rappel de cours

Convergence normale sur II : ∑∥un∥∞<+∞\sum\lVert u_n\rVert_\infty<+\infty. Test de Weierstrass : il suffit de ∣un(x)∣≤Mn\lvert u_n(x)\rvert\leq M_n pour tout x∈Ix\in I avec ∑Mn<+∞\sum M_n<+\infty.

Convergence uniforme : ∥RN∥∞→0\lVert R_N\rVert_\infty\to0 où RN=∑n>NunR_N=\sum_{n>N}u_n. Convergence simple : ∑un(x)\sum u_n(x) converge pour chaque xx.

CN⇒CU⇒CS\text{CN}\Rightarrow\text{CU}\Rightarrow\text{CS}, par la majoration ∣RN(x)∣≤∑n>N∥un∥∞\lvert R_N(x)\rvert\leq\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty. Aucune réciproque n'est vraie.

L'erreur classique

⚠️ Majorer ∣un(x)∣\lvert u_n(x)\rvert par une quantité qui dépend encore de xx. « x2e−nx≤x2x^2e^{-nx}\leq x^2 » est vrai et ne sert à rien : ∑x2\sum x^2 diverge, et surtout le majorant doit être un nombre MnM_n pour que la convergence soit normale. Le sup se calcule en xx, à nn fixé.

⚠️ Confondre « la série converge pour tout xx » et « converge uniformément ». La première est la convergence simple. Elle ne donne ni la continuité de la somme ni l'intégration terme à terme.

⚠️ Croire que CU implique CN. L'exercice E5 donne ∑(−1)nn+x\sum\dfrac{(-1)^n}{n+x} : uniforme sur [0,+∞[[0,+\infty[, et ∑∥un∥∞=∑1n\sum\lVert u_n\rVert_\infty=\sum\tfrac1n diverge.

À retenir

CN ⇒\Rightarrow CU ⇒\Rightarrow CS, et la preuve tient en une ligne : ∣RN(x)∣≤∑n>N∥un∥∞\lvert R_N(x)\rvert\leq\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty, majorant indépendant de xx qui tend vers 00.

Le test de Weierstrass est l'outil de tous les jours : chercher le sup de ∣un∣\lvert u_n\rvert (par la dérivée), vérifier que ∑\sum des sups converge. Pour x2e−nxx^2e^{-nx} : sup en 2n\tfrac2n, valeur 4e−2n2\tfrac{4e^{-2}}{n^2}, somme S(x)=x2ex−1S(x)=\tfrac{x^2}{e^x-1}.

Réponse. CN ⇒\Rightarrow CU par ∣RN(x)∣≤∑n>N∥un∥∞→0\lvert R_N(x)\rvert\leq\sum_{n>N}\lVert u_n\rVert_\infty\to0 (indépendant de xx), CU ⇒\Rightarrow CS point par point ; ∥un∥∞=un(2n)=4e−2n2\lVert u_n\rVert_\infty=u_n(\tfrac2n)=\tfrac{4e^{-2}}{n^2} (4e−2≈0,5413414e^{-2}\approx0{,}541341), ∑∥un∥∞=2π23e2≈0,89047\sum\lVert u_n\rVert_\infty=\tfrac{2\pi^2}{3e^2}\approx0{,}89047 ; S(x)=x2ex−1S(x)=\tfrac{x^2}{e^x-1}, S(1)=1e−1≈0,581977S(1)=\tfrac1{e-1}\approx0{,}581977, S(2)=4e2−1≈0,626071S(2)=\tfrac4{e^2-1}\approx0{,}626071. (Recoupement : ∑e−n=1e−1\sum e^{-n}=\tfrac1{e-1} ✓)
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La fonction zêta : normale sur tout [a,+∞[, pas sur ]1,+∞[

CalculDifficulté 3/5

Pour x>1x>1, on pose ζ(x)=∑n≥11nx\zeta(x)=\displaystyle\sum_{n\geq1}\frac1{n^x}. 1. Montrer que la série converge normalement sur [a,+∞[[a,+\infty[ pour tout a>1a>1, et en déduire que ζ\zeta est continue sur ]1,+∞[]1,+\infty[. 2. Calculer sup⁡x>1n−x\sup_{x>1}n^{-x} et montrer que la série ne converge pas normalement sur ]1,+∞[]1,+\infty[. 3. Montrer qu'elle ne converge pas non plus uniformément sur ]1,+∞[]1,+\infty[ : minorer le bloc ∑n=N+12Nn−x\sum_{n=N+1}^{2N}n^{-x} par N(2N)−xN(2N)^{-x} et conclure. 4. Donner ζ(2)\zeta(2), ζ(3)\zeta(3), ζ(3/2)\zeta(3/2), ζ(1,1)\zeta(1{,}1) et ζ(1,01)\zeta(1{,}01) à 10−510^{-5} près, et commenter le comportement en 1+1^+.

Indices (3)

Sur [a,+∞[[a,+\infty[, n−xn^{-x} est décroissante en xx : son sup est en x=ax=a.

Sur ]1,+∞[]1,+\infty[, le sup n'est pas atteint : c'est une limite quand x→1+x\to1^+.

Si la convergence était uniforme, le reste RN=∑n>Nn−xR_N=\sum_{n>N}n^{-x} vérifierait ∥RN∥∞→0\lVert R_N\rVert_\infty\to0 ; or RN(x)≥∑n=N+12Nn−x≥N⋅(2N)−xR_N(x)\geq\sum_{n=N+1}^{2N}n^{-x}\geq N\cdot(2N)^{-x}.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le domaine décide, encore. ζ\zeta est définie sur l'ouvert ]1,+∞[]1,+\infty[, et la série ∑n−x\sum n^{-x} y converge simplement partout. Mais la convergence normale n'a lieu que sur les demi-droites fermées [a,+∞[[a,+\infty[ avec a>1a>1 — c'est-à-dire sur tout segment de ]1,+∞[]1,+\infty[ — jamais sur l'ouvert tout entier, où même la convergence uniforme échoue. Près de 1+1^+, la série « ralentit » indéfiniment : ζ(x)→+∞\zeta(x)\to+\infty.

👉 C'est l'exemple central de la convergence uniforme locale : suffisante pour la continuité (une propriété locale), insuffisante pour passer à la limite en 1+1^+ ou pour intégrer sur ]1,2]]1,2].

Question 1 : normale sur [a,+∞[, donc continue sur l'ouvert

Soit a>1a>1. Pour x≥ax\geq a et n≥1n\geq1, la fonction x↦n−x=e−xln⁡nx\mapsto n^{-x}=e^{-x\ln n} est décroissante (car ln⁡n≥0\ln n\geq0), donc

sup⁡x∈[a,+∞[n−x=n−a=1na,\sup_{x\in[a,+\infty[}n^{-x}=n^{-a}=\frac1{n^a},
atteint en x=ax=a. La série ∑1na\sum\dfrac1{n^a} est une série de Riemann d'exposant a>1a>1 : elle converge (par exemple ∑1n2=π26\sum\tfrac1{n^2}=\tfrac{\pi^2}6 pour a=2a=2). Donc ∑n−x\sum n^{-x} converge normalement sur [a,+∞[[a,+\infty[, et par E1, uniformément.

Continuité. Chaque un:x↦n−xu_n:x\mapsto n^{-x} est continue, et la convergence est uniforme sur [a,+∞[[a,+\infty[ : la somme ζ\zeta est continue sur [a,+∞[[a,+\infty[ (théorème B1 appliqué aux sommes partielles). Soit maintenant x0>1x_0>1 ; on choisit aa avec 1<a<x01<a<x_0 (par exemple a=1+x02a=\tfrac{1+x_0}2) : ζ\zeta est continue sur [a,+∞[[a,+\infty[, qui est un voisinage de x0x_0, donc en x0x_0. Comme x0x_0 est arbitraire, ζ\zeta est continue sur ]1,+∞[]1,+\infty[. ■\blacksquare

∥n−x∥∞,[a,+∞[=n−a, ∑n−a<+∞ (a>1) : CN sur [a,+∞[, ζ∈C0(]1,+∞[)\boxed{\lVert n^{-x}\rVert_{\infty,[a,+\infty[}=n^{-a},\ \sum n^{-a}<+\infty\ (a>1)\ :\ \text{CN sur }[a,+\infty[,\ \zeta\in\mathcal{C}^0(]1,+\infty[)}

ℹ️ Le passage « continue sur chaque [a,+∞[[a,+\infty[ ⇒\Rightarrow continue sur l'ouvert » est le mécanisme de la convergence uniforme locale : la continuité en un point ne regarde qu'un voisinage, et tout point de l'ouvert a un voisinage [a,+∞[[a,+\infty[ sur lequel la convergence est uniforme.

Question 2 : sur ]1,+∞[, le sup vaut 1/n et n'est pas atteint

Sur ]1,+∞[]1,+\infty[, x↦n−xx\mapsto n^{-x} est décroissante et tend vers n−1n^{-1} quand x→1+x\to1^+ : sa borne supérieure vaut

sup⁡x>1n−x=lim⁡x→1+n−x=1n,\sup_{x>1}n^{-x}=\lim_{x\to1^+}n^{-x}=\frac1n,
et elle n'est pas atteinte (n−x<n−1n^{-x}<n^{-1} pour tout x>1x>1). Donc ∥un∥∞,]1,+∞[=1n\lVert u_n\rVert_{\infty,]1,+\infty[}=\dfrac1n, et
∑n≥1∥un∥∞=∑n≥11n=+∞\sum_{n\geq1}\lVert u_n\rVert_\infty=\sum_{n\geq1}\frac1n=+\infty
(série harmonique) : la série ne converge pas normalement sur ]1,+∞[]1,+\infty[.

sup⁡x>1n−x=1n (borne sup, non atteinte),∑1n=+∞ : pas de CN sur ]1,+∞[\boxed{\sup_{x>1}n^{-x}=\frac1n\ \text{(borne sup, non atteinte)},\quad\sum\frac1n=+\infty\ :\ \text{pas de CN sur }]1,+\infty[}
Question 3 : pas uniforme non plus — le bloc qui ne s'écrase pas

Supposons la convergence uniforme sur ]1,+∞[]1,+\infty[ : le reste RN(x)=∑n>Nn−xR_N(x)=\sum_{n>N}n^{-x} vérifierait ∥RN∥∞→0\lVert R_N\rVert_\infty\to0. Or, pour tout x>1x>1, les termes sont positifs, donc

RN(x)≥∑n=N+12Nn−x≥∑n=N+12N(2N)−x=N⋅(2N)−x,R_N(x)\geq\sum_{n=N+1}^{2N}n^{-x}\geq\sum_{n=N+1}^{2N}(2N)^{-x}=N\cdot(2N)^{-x},
puisque chacun des NN termes du bloc est ≥(2N)−x\geq(2N)^{-x} (le plus petit, en n=2Nn=2N). Faisons x→1+x\to1^+ à NN fixé : N(2N)−x→N⋅12N=12N(2N)^{-x}\to N\cdot\dfrac1{2N}=\dfrac12. Donc ∥RN∥∞≥sup⁡x>1RN(x)≥12\lVert R_N\rVert_\infty\geq\sup_{x>1}R_N(x)\geq\dfrac12 pour tout NN : le reste ne tend pas uniformément vers 00. Contradiction. ■\blacksquare

Numériquement, pour N=1000N=1000 et x=1,05x=1{,}05 : N(2N)−x=1000⋅2000−1,05≈0,3419N(2N)^{-x}=1000\cdot2000^{-1{,}05}\approx0{,}3419, et le bloc lui-même vaut ≈0,4821\approx0{,}4821 (recoupé en D1) — bien loin de 00.

RN(x)≥N(2N)−x→x→1+12 : ∥RN∥∞≥12, pas de CU sur ]1,+∞[\boxed{R_N(x)\geq N(2N)^{-x}\xrightarrow[x\to1^+]{}\tfrac12\ :\ \lVert R_N\rVert_\infty\geq\tfrac12,\ \text{pas de CU sur }]1,+\infty[}

ℹ️ La méthode est celle du critère de Cauchy uniforme (D1) : un bloc de termes consécutifs, évalué en un point bien choisi (ici près de 11), qui reste gros. Elle n'exige pas de connaître ζ\zeta.

Question 4 : les valeurs, et l'explosion en 1⁺

Valeurs certifiées (recoupées par mpmath.zeta) :

ζ(2)=π26≈1,64493,ζ(3)≈1,20206,ζ ⁣(32)≈2,61238,ζ(1,1)≈10,5844,ζ(1,01)≈100,578.\zeta(2)=\frac{\pi^2}6\approx1{,}64493,\quad\zeta(3)\approx1{,}20206,\quad\zeta\!\left(\tfrac32\right)\approx2{,}61238,\quad\zeta(1{,}1)\approx10{,}5844,\quad\zeta(1{,}01)\approx100{,}578.
La valeur ζ(2)=π26\zeta(2)=\tfrac{\pi^2}6 est le problème de Bâle (chapitre sur les séries numériques) ; ζ(3)\zeta(3) n'a pas de forme close connue (constante d'Apéry).

Comportement en 1+1^+. Les valeurs ζ(1,1)≈10,6\zeta(1{,}1)\approx10{,}6 et ζ(1,01)≈100,6\zeta(1{,}01)\approx100{,}6 suggèrent ζ(x)∼1x−1\zeta(x)\sim\dfrac1{x-1}. C'est exact : la comparaison série-intégrale donne ∫1+∞t−x dt=1x−1≤ζ(x)≤1+1x−1\int_1^{+\infty}t^{-x}\,\mathrm{d}t=\dfrac1{x-1}\leq\zeta(x)\leq1+\dfrac1{x-1}, d'où ζ(x)→+∞\zeta(x)\to+\infty quand x→1+x\to1^+. C'est cohérent avec la question 3 : une convergence uniforme sur ]1,+∞[]1,+\infty[ aurait donné, par le théorème de la double limite (D2), une limite finie en 1+1^+ — impossible.

ζ(x)∼1x−1 (x→1+), ζ(x)→+∞\boxed{\zeta(x)\sim\frac1{x-1}\ (x\to1^+),\ \zeta(x)\to+\infty}
Rappel de cours

Convergence uniforme locale. « Normale (ou uniforme) sur tout segment de II » suffit à la continuité de la somme sur II, car la continuité est locale. Elle ne suffit ni à l'intégration sur II entier, ni au passage à la limite aux bornes de II.

Sup sur un ouvert. sup⁡x>1n−x=1n\sup_{x>1}n^{-x}=\tfrac1n est une borne supérieure non atteinte : dire « borne supérieure », pas « maximum ».

Réfuter une CU sans la somme : minorer un bloc ∑N+12Nun(xN)\sum_{N+1}^{2N}u_n(x_N) par une quantité qui ne tend pas vers 00.

L'erreur classique

⚠️ Étendre à l'ouvert une convergence normale prouvée sur ses segments. « CN sur chaque [a,+∞[[a,+\infty[, donc CN sur ]1,+∞[]1,+\infty[ » est faux — et c'est la méprise reine du chapitre. La convergence normale sur II exige un majorant valable sur tout II ; ici il vaut 1n\tfrac1n, non sommable.

⚠️ Écrire « le maximum de n−xn^{-x} sur ]1,+∞[]1,+\infty[ est atteint en x=1x=1 ». Le point 11 n'est pas dans l'ensemble. Le sup est une limite, pas une valeur.

⚠️ Conclure « pas CN donc pas CU ». Ce n'est pas une implication (E5 : CU sans CN). Ici il a fallu un argument séparé — le bloc — pour réfuter la convergence uniforme.

À retenir

ζ\zeta : normale sur tout [a,+∞[[a,+\infty[ (a>1a>1), continue sur ]1,+∞[]1,+\infty[, ni normale ni uniforme sur ]1,+∞[]1,+\infty[, et ζ(x)→+∞\zeta(x)\to+\infty en 1+1^+.

Le bloc ∑N+12Nn−x≥N(2N)−x→12\sum_{N+1}^{2N}n^{-x}\geq N(2N)^{-x}\to\tfrac12 est l'argument à connaître : il réfute une convergence uniforme sans rien savoir de la somme.

Réponse. CN sur [a,+∞[[a,+\infty[ (sup⁡=n−a\sup=n^{-a}, Riemann a>1a>1) ⇒\Rightarrow ζ\zeta continue sur ]1,+∞[]1,+\infty[ ; sup⁡x>1n−x=1n\sup_{x>1}n^{-x}=\tfrac1n non atteint, ∑1n=∞\sum\tfrac1n=\infty : pas CN ; bloc ≥N(2N)−x→12\geq N(2N)^{-x}\to\tfrac12 : pas CU (N=1000N=1000, x=1,05x=1{,}05 : 0,34190{,}3419) ; ζ(2)≈1,64493\zeta(2)\approx1{,}64493, ζ(3)≈1,20206\zeta(3)\approx1{,}20206, ζ(3/2)≈2,61238\zeta(3/2)\approx2{,}61238, ζ(1,1)≈10,5844\zeta(1{,}1)\approx10{,}5844, ζ(1,01)≈100,578\zeta(1{,}01)\approx100{,}578, ζ(x)∼1x−1\zeta(x)\sim\tfrac1{x-1} en 1+1^+.
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Σ sin(nx)/n² : continue, périodique, et intégrable terme à terme

CalculDifficulté 3/5

On pose S(x)=∑n≥1sin⁡(nx)n2S(x)=\displaystyle\sum_{n\geq1}\frac{\sin(nx)}{n^2}. 1. Montrer que la série converge normalement sur R\mathbb{R}, et que SS est continue, impaire et 2π2\pi-périodique. 2. Calculer S(π)S(\pi), et exprimer S ⁣(π2)S\!\left(\tfrac\pi2\right) comme une série numérique (on donnera sa valeur, la constante de Catalan G≈0,915966G\approx0{,}915966). 3. Justifier l'intégration terme à terme sur [0,π][0,\pi] et montrer que ∫0πS(x) dx=2∑k≥01(2k+1)3=7ζ(3)4\displaystyle\int_0^\pi S(x)\,\mathrm{d}x=2\sum_{k\geq0}\frac1{(2k+1)^3}=\frac{7\zeta(3)}4. 4. On donne S ⁣(π3)≈1,01494S\!\left(\tfrac\pi3\right)\approx1{,}01494 et S(1)≈1,01396S(1)\approx1{,}01396 : lequel des deux est le maximum de SS ?

Indices (3)

∣sin⁡(nx)∣≤1\lvert\sin(nx)\rvert\leq1 pour tout xx : le majorant 1n2\tfrac1{n^2} ne dépend pas de xx.

sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi)=0 ; sin⁡ ⁣(nπ2)\sin\!\left(\tfrac{n\pi}2\right) vaut 0,1,0,−10,1,0,-1 selon nn modulo 44.

∫0πsin⁡(nx) dx=1−(−1)nn\int_0^\pi\sin(nx)\,\mathrm{d}x=\dfrac{1-(-1)^n}n : nul si nn est pair, 2n\tfrac2n si nn est impair.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Le test de Weierstrass dans sa forme la plus simple. Quand ∣un(x)∣≤Mn\lvert u_n(x)\rvert\leq M_n avec un MnM_n évident — ici 1n2\tfrac1{n^2}, parce qu'un sinus est borné par 11 — la convergence normale est immédiate, et tout suit : somme continue, intégrable terme à terme sur tout segment. Ce que le chapitre des séries de Fourier fait « sans théorie », on le justifie ici en deux lignes.

👉 Les valeurs S(π)=0S(\pi)=0 et S(π2)=GS(\tfrac\pi2)=G se lisent sur les valeurs de sin⁡(nx)\sin(nx) aux points particuliers ; l'intégrale ∫0πS\int_0^\pi S tombe sur une somme de cubes d'entiers impairs — c'est là que l'interversion ∫∑=∑∫\int\sum=\sum\int paie.

Question 1 : convergence normale sur R, continuité, symétries

Pour tout x∈Rx\in\mathbb{R} et n≥1n\geq1, ∣sin⁡(nx)n2∣≤1n2\left\lvert\dfrac{\sin(nx)}{n^2}\right\rvert\leq\dfrac1{n^2}, et la borne est atteinte en x=π2nx=\tfrac\pi{2n} : ∥un∥∞=1n2\lVert u_n\rVert_\infty=\dfrac1{n^2}. La série ∑1n2\sum\dfrac1{n^2} converge (Riemann, ζ(2)=π26≈1,64493\zeta(2)=\tfrac{\pi^2}6\approx1{,}64493) : convergence normale sur R\mathbb{R}, donc uniforme, donc simple. Chaque unu_n est continue : par B1 (appliqué aux sommes partielles SNS_N, qui convergent uniformément vers SS), SS est continue sur R\mathbb{R}.

Imparité. un(−x)=sin⁡(−nx)n2=−un(x)u_n(-x)=\dfrac{\sin(-nx)}{n^2}=-u_n(x) pour tout nn, donc SN(−x)=−SN(x)S_N(-x)=-S_N(x), et à la limite S(−x)=−S(x)S(-x)=-S(x).

Périodicité. sin⁡(n(x+2π))=sin⁡(nx+2nπ)=sin⁡(nx)\sin(n(x+2\pi))=\sin(nx+2n\pi)=\sin(nx) : chaque unu_n est 2π2\pi-périodique, donc SNS_N aussi, donc SS.

∥un∥∞=1n2, ∑1n2=π26 : CN sur R, S continue, impaire, 2π-peˊriodique\boxed{\lVert u_n\rVert_\infty=\frac1{n^2},\ \sum\frac1{n^2}=\frac{\pi^2}6\ :\ \text{CN sur }\mathbb{R},\ S\text{ continue, impaire, }2\pi\text{-périodique}}

ℹ️ Le passage « chaque unu_n impaire ⇒\Rightarrow SS impaire » n'utilise que la convergence simple : une identité vraie pour chaque SNS_N passe à la limite point par point. La continuité, elle, a besoin de l'uniforme.

Question 2 : S(π) = 0 et S(π/2) = constante de Catalan

En π\pi. sin⁡(nπ)=0\sin(n\pi)=0 pour tout entier nn : tous les termes sont nuls et S(π)=0S(\pi)=0. (Cohérent avec l'imparité et la périodicité : S(π)=S(−π)=−S(π)S(\pi)=S(-\pi)=-S(\pi), d'où S(π)=0S(\pi)=0.)

En π2\tfrac\pi2. sin⁡ ⁣(nπ2)\sin\!\left(\tfrac{n\pi}2\right) vaut 11 si n≡1(mod4)n\equiv1\pmod4, −1-1 si n≡3(mod4)n\equiv3\pmod4, 00 si nn est pair. Donc

S ⁣(π2)=∑k≥0(−1)k(2k+1)2=1−19+125−149+⋯=G≈0,915966,S\!\left(\tfrac\pi2\right)=\sum_{k\geq0}\frac{(-1)^k}{(2k+1)^2}=1-\frac19+\frac1{25}-\frac1{49}+\cdots=G\approx0{,}915966,
la constante de Catalan. C'est une série alternée dont le terme général décroît vers 00 : elle converge (Leibniz), et ses sommes partielles encadrent GG — par exemple 1−19+125=209225≈0,92891-\tfrac19+\tfrac1{25}=\tfrac{209}{225}\approx0{,}9289 par excès, et 209225−149≈0,9085\tfrac{209}{225}-\tfrac1{49}\approx0{,}9085 par défaut. On ne connaît pas de forme close de GG.

S(π)=0,S ⁣(π2)=∑k≥0(−1)k(2k+1)2=G≈0,915966\boxed{S(\pi)=0,\qquad S\!\left(\tfrac\pi2\right)=\sum_{k\geq0}\frac{(-1)^k}{(2k+1)^2}=G\approx0{,}915966}
Question 3 : intégrer terme à terme, et tomber sur 7ζ(3)/4

Justification. La série ∑un\sum u_n converge uniformément sur R\mathbb{R} (question 1), donc a fortiori sur le segment [0,π][0,\pi], et les unu_n sont continues : le théorème d'intégration terme à terme (leçon, section E — c'est B3 appliqué aux sommes partielles) s'applique :

∫0πS(x) dx=∑n≥1∫0πsin⁡(nx)n2 dx.\int_0^\pi S(x)\,\mathrm{d}x=\sum_{n\geq1}\int_0^\pi\frac{\sin(nx)}{n^2}\,\mathrm{d}x.

Calcul. ∫0πsin⁡(nx) dx=[−cos⁡(nx)n]0π=1−cos⁡(nπ)n=1−(−1)nn\displaystyle\int_0^\pi\sin(nx)\,\mathrm{d}x=\left[-\frac{\cos(nx)}n\right]_0^\pi=\frac{1-\cos(n\pi)}n=\frac{1-(-1)^n}n, qui vaut 00 pour nn pair et 2n\dfrac2n pour nn impair. Donc

∫0πS=∑n impair2n3=2∑k≥01(2k+1)3.\int_0^\pi S=\sum_{n\ \text{impair}}\frac2{n^3}=2\sum_{k\geq0}\frac1{(2k+1)^3}.
Enfin, en séparant pairs et impairs dans ζ(3)=∑1n3\zeta(3)=\sum\tfrac1{n^3} : ∑n pair1n3=18ζ(3)\sum_{n\ \text{pair}}\tfrac1{n^3}=\tfrac18\zeta(3), donc ∑n impair1n3=ζ(3)−18ζ(3)=78ζ(3)\sum_{n\ \text{impair}}\tfrac1{n^3}=\zeta(3)-\tfrac18\zeta(3)=\tfrac78\zeta(3), et
∫0πS(x) dx=2⋅78ζ(3)=7ζ(3)4≈2,1036.\int_0^\pi S(x)\,\mathrm{d}x=2\cdot\frac78\zeta(3)=\frac{7\zeta(3)}4\approx2{,}1036.
Recoupement indépendant : une quadrature numérique de SS sur [0,π][0,\pi] (par la fonction de Clausen) rend la même valeur à 10−1510^{-15} près ✓.

∫0πS=2∑k≥01(2k+1)3=7ζ(3)4≈2,1036\boxed{\int_0^\pi S=2\sum_{k\geq0}\frac1{(2k+1)^3}=\frac{7\zeta(3)}4\approx2{,}1036}

⚠️ Sans la convergence uniforme, cette égalité n'aurait aucune justification — c'est la bosse glissante (B4) qui le rappelle.

Question 4 : où est le maximum ?

S ⁣(π3)≈1,01494>S(1)≈1,01396S\!\left(\tfrac\pi3\right)\approx1{,}01494>S(1)\approx1{,}01396 : le maximum est en π3\tfrac\pi3, pas en 11 — mais l'écart est de 10−310^{-3}, et 1≈π3≈1,0471\approx\tfrac\pi3\approx1{,}047 sont proches. On peut le comprendre : formellement, S′(x)=∑cos⁡(nx)n=−ln⁡ ⁣(2sin⁡x2)S'(x)=\sum\dfrac{\cos(nx)}n=-\ln\!\left(2\sin\tfrac x2\right) (formule admise, exercice C5), qui s'annule quand 2sin⁡x2=12\sin\tfrac x2=1, soit x=π3x=\tfrac\pi3. ⚠️ Cette dérivation terme à terme n'est pas justifiée par ce chapitre au voisinage de 00 (la série dérivée ∑cos⁡(nx)n\sum\tfrac{\cos(nx)}n y diverge) ; elle l'est sur [a,2π−a][a,2\pi-a] pour tout a>0a>0 (C5). Le maximum de SS sur [0,π][0,\pi] est donc S(π3)≈1,01494S(\tfrac\pi3)\approx1{,}01494.

max⁡S=S ⁣(π3)≈1,01494 > S(1)≈1,01396\boxed{\max S=S\!\left(\tfrac\pi3\right)\approx1{,}01494\ >\ S(1)\approx1{,}01396}
Rappel de cours

Test de Weierstrass : ∣un(x)∣≤Mn\lvert u_n(x)\rvert\leq M_n pour tout xx, ∑Mn<+∞\sum M_n<+\infty ⇒\Rightarrow convergence normale.

Intégration terme à terme sur un segment : unu_n continues, ∑un\sum u_n uniformément convergente sur [a,b][a,b] ⇒\Rightarrow ∫ab∑un=∑∫abun\int_a^b\sum u_n=\sum\int_a^bu_n.

Sommes sur les impairs : ∑n impair1ns=(1−2−s)ζ(s)\sum_{n\ \text{impair}}\tfrac1{n^s}=\left(1-2^{-s}\right)\zeta(s) ; pour s=3s=3, 78ζ(3)\tfrac78\zeta(3).

L'erreur classique

⚠️ Intégrer terme à terme sans vérifier la convergence uniforme. Le résultat est juste ici parce que la convergence est normale. Sans hypothèse, ∫∑≠∑∫\int\sum\neq\sum\int est possible (B4).

⚠️ Dériver terme à terme parce qu'on a pu intégrer. L'intégration demande la CU de ∑un\sum u_n ; la dérivation demande la CU de ∑un′\sum u_n', série différente, ici divergente en 00. Les deux opérations n'ont pas le même prix.

⚠️ Écrire ∑n impair1n3=12ζ(3)\sum_{n\ \text{impair}}\tfrac1{n^3}=\tfrac12\zeta(3). Les impairs ne portent pas « la moitié » de la somme : ∑pairs=18ζ(3)\sum_{\text{pairs}}=\tfrac18\zeta(3), donc ∑impairs=78ζ(3)\sum_{\text{impairs}}=\tfrac78\zeta(3).

À retenir

∑sin⁡(nx)n2\sum\dfrac{\sin(nx)}{n^2} : normale sur R\mathbb{R} par ∣sin⁡∣≤1\lvert\sin\rvert\leq1, somme continue, impaire, 2π2\pi-périodique ; S(π)=0S(\pi)=0, S(π2)=GS(\tfrac\pi2)=G.

L'intégration terme à terme sur [0,π][0,\pi] rend 7ζ(3)4\tfrac{7\zeta(3)}4 — justifiée par la convergence uniforme, et par rien d'autre.

Réponse. ∥un∥∞=1n2\lVert u_n\rVert_\infty=\tfrac1{n^2} : CN sur R\mathbb{R}, SS continue, impaire, 2π2\pi-périodique ; S(π)=0S(\pi)=0, S(π2)=∑(−1)k(2k+1)2=G≈0,915966S(\tfrac\pi2)=\sum\tfrac{(-1)^k}{(2k+1)^2}=G\approx0{,}915966 ; ∫0πS=∑1−(−1)nn3=2∑1(2k+1)3=7ζ(3)4≈2,1036\int_0^\pi S=\sum\tfrac{1-(-1)^n}{n^3}=2\sum\tfrac1{(2k+1)^3}=\tfrac{7\zeta(3)}4\approx2{,}1036 (CU ⇒\Rightarrow terme à terme) ; maximum en π3\tfrac\pi3 : S(π3)≈1,01494>S(1)≈1,01396S(\tfrac\pi3)\approx1{,}01494>S(1)\approx1{,}01396.
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Σ e^{-nx} : la somme 1/(e^x−1), et une intégrale terme à terme

CalculDifficulté 3/5

Pour x>0x>0 et n≥1n\geq1, on pose un(x)=e−nxu_n(x)=e^{-nx}. 1. Montrer que ∑un\sum u_n converge simplement sur ]0,+∞[]0,+\infty[ et calculer sa somme S(x)S(x). Vérifier S(ln⁡2)=1S(\ln2)=1 et donner S(1)S(1), S(2)S(2). 2. Montrer que la convergence est normale sur [a,+∞[[a,+\infty[ pour tout a>0a>0, mais pas sur ]0,+∞[]0,+\infty[. En déduire que SS est continue sur ]0,+∞[]0,+\infty[ ; que se passe-t-il en 0+0^+ ? 3. Calculer ∫12S(x) dx\displaystyle\int_1^2S(x)\,\mathrm{d}x de deux façons : par la forme close, et par intégration terme à terme (justifiée). On donne ln⁡(1+e−1)≈0,313262\ln(1+e^{-1})\approx0{,}313262.

Indices (3)

À x>0x>0 fixé, ∑e−nx=∑(e−x)n\sum e^{-nx}=\sum\left(e^{-x}\right)^n est géométrique de raison e−x∈]0,1[e^{-x}\in]0,1[.

Sur [a,+∞[[a,+\infty[, e−nx≤e−nae^{-nx}\leq e^{-na} ; sur ]0,+∞[]0,+\infty[, le sup est la limite en 0+0^+.

∫12e−nx dx=e−n−e−2nn\int_1^2e^{-nx}\,\mathrm{d}x=\dfrac{e^{-n}-e^{-2n}}n, puis ∑qnn=−ln⁡(1−q)\sum\dfrac{q^n}n=-\ln(1-q).

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une série géométrique en xx. ∑e−nx\sum e^{-nx} est la série ∑qn\sum q^n avec q=e−xq=e^{-x} : somme explicite e−x1−e−x=1ex−1\dfrac{e^{-x}}{1-e^{-x}}=\dfrac1{e^x-1}. Tout ce que le chapitre affirme peut donc se vérifier sur la forme close — c'est un exemple où la théorie se compare à un calcul direct, et où l'on voit précisément ce que « convergence normale sur [a,+∞[[a,+\infty[ mais pas sur ]0,+∞[]0,+\infty[ » veut dire : la somme explose en 0+0^+.

👉 L'intégrale ∫12S\int_1^2S se calcule deux fois, par la primitive de 1ex−1\tfrac1{e^x-1} et par ∑∫\sum\int ; les deux rendent ln⁡(1+e−1)\ln(1+e^{-1}), et c'est l'accord qui illustre le théorème.

Question 1 : la somme géométrique

Fixons x>0x>0 ; alors q=e−x∈]0,1[q=e^{-x}\in]0,1[ et

∑n≥1e−nx=∑n≥1qn=q1−q=e−x1−e−x=1ex−1.\sum_{n\geq1}e^{-nx}=\sum_{n\geq1}q^n=\frac q{1-q}=\frac{e^{-x}}{1-e^{-x}}=\frac1{e^x-1}.
La série converge simplement sur ]0,+∞[]0,+\infty[ (et diverge en x≤0x\leq0, où q≥1q\geq1). Ainsi S(x)=1ex−1S(x)=\dfrac1{e^x-1}.

Vérifications. S(ln⁡2)=12−1=1S(\ln2)=\dfrac1{2-1}=1 ✓ — et directement, ∑2−n=1\sum2^{-n}=1. Puis S(1)=1e−1≈0,581977S(1)=\dfrac1{e-1}\approx0{,}581977 (recoupé par la somme numérique ∑e−n\sum e^{-n} ✓) et S(2)=1e2−1≈0,156518S(2)=\dfrac1{e^2-1}\approx0{,}156518.

S(x)=∑n≥1e−nx=1ex−1 (x>0),S(ln⁡2)=1, S(1)≈0,582, S(2)≈0,157\boxed{S(x)=\sum_{n\geq1}e^{-nx}=\frac1{e^x-1}\ (x>0),\quad S(\ln2)=1,\ S(1)\approx0{,}582,\ S(2)\approx0{,}157}
Question 2 : normale sur [a,+∞[, pas sur ]0,+∞[ ; continuité ; explosion en 0⁺

Sur [a,+∞[[a,+\infty[, a>0a>0. La fonction x↦e−nxx\mapsto e^{-nx} est décroissante, donc ∥un∥∞,[a,+∞[=e−na=(e−a)n\lVert u_n\rVert_{\infty,[a,+\infty[}=e^{-na}=\left(e^{-a}\right)^n, terme d'une série géométrique de raison e−a<1e^{-a}<1, convergente (de somme 1ea−1\tfrac1{e^a-1}) : convergence normale sur [a,+∞[[a,+\infty[.

Sur ]0,+∞[]0,+\infty[. sup⁡x>0e−nx=lim⁡x→0+e−nx=1\sup_{x>0}e^{-nx}=\lim_{x\to0^+}e^{-nx}=1, borne non atteinte. ∑1=+∞\sum1=+\infty : pas de convergence normale sur l'ouvert. (Et pas uniforme non plus : le reste RN(x)=e−(N+1)x1−e−xR_N(x)=\dfrac{e^{-(N+1)x}}{1-e^{-x}} tend vers +∞+\infty quand x→0+x\to0^+, donc ∥RN∥∞=+∞\lVert R_N\rVert_\infty=+\infty.)

Continuité. Sur chaque [a,+∞[[a,+\infty[, convergence uniforme de fonctions continues : SS y est continue ; tout x0>0x_0>0 est dans un tel [a,+∞[[a,+\infty[ (prendre a=x02a=\tfrac{x_0}2) : SS est continue sur ]0,+∞[]0,+\infty[ — ce que confirme la forme close 1ex−1\tfrac1{e^x-1}.

En 0+0^+. S(x)=1ex−1∼1x→+∞S(x)=\dfrac1{e^x-1}\sim\dfrac1x\to+\infty. Chaque unu_n tend vers 11 en 0+0^+ et ∑1\sum1 diverge : la double limite lim⁡x→0+∑un(x)=∑lim⁡x→0+un(x)\lim_{x\to0^+}\sum u_n(x)=\sum\lim_{x\to0^+}u_n(x) est fausse ici — et le théorème de la double limite (D2) ne s'applique pas, faute de convergence uniforme sur ]0,+∞[]0,+\infty[. C'est exactement le même scénario que ζ\zeta en 1+1^+ (E2).

∥un∥[a,+∞[=e−na (CN),sup⁡x>0un=1 (pas CN),S∈C0(]0,+∞[), S(x)∼1x→+∞ (0+)\boxed{\lVert u_n\rVert_{[a,+\infty[}=e^{-na}\ \text{(CN)},\quad\sup_{x>0}u_n=1\ \text{(pas CN)},\quad S\in\mathcal{C}^0(]0,+\infty[),\ S(x)\sim\tfrac1x\to+\infty\ (0^+)}
Question 3 : l'intégrale, deux fois

Par la forme close. Une primitive de 1ex−1=e−x1−e−x\dfrac1{e^x-1}=\dfrac{e^{-x}}{1-e^{-x}} est ln⁡(1−e−x)\ln(1-e^{-x}) (dérivée : e−x1−e−x\dfrac{e^{-x}}{1-e^{-x}} ✓). Donc

∫12dxex−1=ln⁡(1−e−2)−ln⁡(1−e−1)=ln⁡1−e−21−e−1=ln⁡(1+e−1),\int_1^2\frac{\mathrm{d}x}{e^x-1}=\ln(1-e^{-2})-\ln(1-e^{-1})=\ln\frac{1-e^{-2}}{1-e^{-1}}=\ln(1+e^{-1}),
car 1−e−2=(1−e−1)(1+e−1)1-e^{-2}=(1-e^{-1})(1+e^{-1}). Valeur : ln⁡(1+e−1)≈0,313262\ln(1+e^{-1})\approx0{,}313262.

Terme à terme. Sur le segment [1,2]⊂[1,+∞[[1,2]\subset[1,+\infty[, la convergence est normale (question 2 avec a=1a=1), donc uniforme, et les unu_n sont continues : le théorème d'intégration terme à terme s'applique. Or ∫12e−nx dx=[−e−nxn]12=e−n−e−2nn\displaystyle\int_1^2e^{-nx}\,\mathrm{d}x=\left[-\frac{e^{-nx}}n\right]_1^2=\frac{e^{-n}-e^{-2n}}n, donc

∫12S=∑n≥1e−nn−∑n≥1e−2nn=−ln⁡(1−e−1)+ln⁡(1−e−2)=ln⁡(1+e−1),\int_1^2S=\sum_{n\geq1}\frac{e^{-n}}n-\sum_{n\geq1}\frac{e^{-2n}}n=-\ln(1-e^{-1})+\ln(1-e^{-2})=\ln(1+e^{-1}),
en utilisant ∑n≥1qnn=−ln⁡(1−q)\sum_{n\geq1}\dfrac{q^n}n=-\ln(1-q) pour ∣q∣<1\lvert q\rvert<1 (série entière de −ln⁡(1−q)-\ln(1-q)). Les deux calculs coïncident — c'est ce que garantit le théorème, et la somme numérique de ∑e−n−e−2nn\sum\tfrac{e^{-n}-e^{-2n}}n rend 0,3132620{,}313262 à 10−2510^{-25} près ✓.

∫12∑n≥1e−nx dx=∑n≥1e−n−e−2nn=ln⁡(1+e−1)≈0,313262\boxed{\int_1^2\sum_{n\geq1}e^{-nx}\,\mathrm{d}x=\sum_{n\geq1}\frac{e^{-n}-e^{-2n}}n=\ln(1+e^{-1})\approx0{,}313262}

⚠️ On ne peut pas faire la même chose sur ]0,1]]0,1] : la convergence n'y est pas uniforme, et de fait ∫01dxex−1\int_0^1\tfrac{\mathrm{d}x}{e^x-1} diverge (∼∫0dxx\sim\int_0\tfrac{\mathrm{d}x}x).

Rappel de cours

∑n≥1qn=q1−q\sum_{n\geq1}q^n=\dfrac q{1-q} et ∑n≥1qnn=−ln⁡(1−q)\sum_{n\geq1}\dfrac{q^n}n=-\ln(1-q) pour ∣q∣<1\lvert q\rvert<1.

Normale sur [a,+∞[[a,+\infty[ pour tout a>0a>0, pas sur ]0,+∞[]0,+\infty[ : le schéma de ζ\zeta, avec e−nxe^{-nx} à la place de n−xn^{-x}. Continuité sur l'ouvert ✓, intégration sur un segment inclus ✓, limite en 0+0^+ ✗.

L'erreur classique

⚠️ Passer à la limite en 0+0^+ terme à terme : « chaque e−nx→1e^{-nx}\to1, donc S(x)→∑1S(x)\to\sum1… » n'a pas de sens, et S(x)→+∞S(x)\to+\infty pour une autre raison. Le théorème de la double limite exige la convergence uniforme sur un voisinage de 00, qu'on n'a pas.

⚠️ Oublier que la série commence à n=1n=1. ∑n≥0e−nx=11−e−x=exex−1\sum_{n\geq0}e^{-nx}=\dfrac1{1-e^{-x}}=\dfrac{e^x}{e^x-1}, ce qui décale la somme de 11. Le premier terme est une donnée de l'énoncé.

⚠️ Intégrer terme à terme sur ]0,1]]0,1] en croyant que « normale sur tout [a,1][a,1] » suffit : l'intégrale de la somme diverge, celle des termes converge (∫01e−nx=1−e−nn\int_0^1e^{-nx}=\tfrac{1-e^{-n}}n, sommable ? non : ∼1n\sim\tfrac1n). L'échec est double.

À retenir

∑e−nx=1ex−1\sum e^{-nx}=\dfrac1{e^x-1} sur ]0,+∞[]0,+\infty[, normale sur tout [a,+∞[[a,+\infty[, continue, explosive en 0+0^+.

∫12S=ln⁡(1+e−1)\int_1^2S=\ln(1+e^{-1}) par les deux méthodes : l'accord entre la primitive et ∑∫\sum\int est ce que le théorème d'intégration terme à terme promet, et il n'est valable que sur un segment où la convergence est uniforme.

Réponse. S(x)=1ex−1S(x)=\tfrac1{e^x-1} (q=e−xq=e^{-x}), S(ln⁡2)=1S(\ln2)=1, S(1)≈0,581977S(1)\approx0{,}581977, S(2)≈0,156518S(2)\approx0{,}156518 ; CN sur [a,+∞[[a,+\infty[ (∥un∥=e−na\lVert u_n\rVert=e^{-na}), pas sur ]0,+∞[]0,+\infty[ (sup⁡=1\sup=1), SS continue, S∼1x→+∞S\sim\tfrac1x\to+\infty en 0+0^+ ; ∫12S=ln⁡(1−e−2)−ln⁡(1−e−1)=∑e−n−e−2nn=ln⁡(1+e−1)≈0,313262\int_1^2S=\ln(1-e^{-2})-\ln(1-e^{-1})=\sum\tfrac{e^{-n}-e^{-2n}}n=\ln(1+e^{-1})\approx0{,}313262.
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Uniforme sans normale : Σ (−1)^n/(n+x) et le critère de Leibniz uniforme

DémonstrationDifficulté 3/5

Pour x≥0x\geq0 et n≥1n\geq1, on pose un(x)=(−1)nn+xu_n(x)=\dfrac{(-1)^n}{n+x}. 1. Montrer que, pour chaque x≥0x\geq0, la série ∑un(x)\sum u_n(x) converge, et que son reste vérifie ∣RN(x)∣≤1N+1+x\lvert R_N(x)\rvert\leq\dfrac1{N+1+x}. 2. En déduire que ∑un\sum u_n converge uniformément sur [0,+∞[[0,+\infty[. 3. Calculer ∥un∥∞\lVert u_n\rVert_\infty sur [0,+∞[[0,+\infty[ et montrer que la convergence n'est pas normale. 4. On donne S(0)=−ln⁡2S(0)=-\ln2, S(1)=ln⁡2−1S(1)=\ln2-1 et S ⁣(12)=π2−2S\!\left(\tfrac12\right)=\dfrac\pi2-2 : vérifier la cohérence de ces valeurs avec la majoration du reste pour N=7N=7, et donner leurs valeurs décimales.

Indices (3)

Critère de Leibniz (séries numériques) : 1n+x\dfrac1{n+x} décroît en nn et tend vers 00 ; le reste est majoré par le premier terme négligé.

Le majorant 1N+1+x≤1N+1\dfrac1{N+1+x}\leq\dfrac1{N+1} ne dépend plus de xx.

sup⁡x≥01n+x\sup_{x\geq0}\dfrac1{n+x} est atteint en x=0x=0.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

La réciproque de CN ⇒\Rightarrow CU est fausse, et voici le contre-exemple standard. La série alternée ∑(−1)nn+x\sum\dfrac{(-1)^n}{n+x} converge uniformément sur [0,+∞[[0,+\infty[ grâce au critère de Leibniz appliqué uniformément — les trois hypothèses (signe alterné, décroissance en nn, limite nulle) valent pour tout xx, et la majoration du reste ∣RN(x)∣≤1N+1\lvert R_N(x)\rvert\leq\tfrac1{N+1} ne dépend pas de xx. Mais les normes ∥un∥∞=1n\lVert u_n\rVert_\infty=\tfrac1n ne sont pas sommables.

👉 C'est l'exemple où l'on prouve une convergence uniforme sans passer par les normes : par une majoration directe du reste. Retenir la forme de l'argument, elle resservira pour toute série alternée de fonctions.

Question 1 : Leibniz à x fixé, et la majoration du reste

Fixons x≥0x\geq0 et posons an=1n+x>0a_n=\dfrac1{n+x}>0. La suite (an)(a_n) est strictement décroissante (n+x<n+1+xn+x<n+1+x) et tend vers 00 (an≤1na_n\leq\tfrac1n). Le critère des séries alternées (Leibniz, chapitre sur les séries numériques) s'applique à ∑(−1)nan\sum(-1)^na_n : la série converge, et son reste est majoré par le premier terme négligé, avec le signe de celui-ci :

∣RN(x)∣=∣∑n>N(−1)nn+x∣≤aN+1=1N+1+x.\lvert R_N(x)\rvert=\Bigl\lvert\sum_{n>N}\frac{(-1)^n}{n+x}\Bigr\rvert\leq a_{N+1}=\frac1{N+1+x}.

∀x≥0, ∑n≥1(−1)nn+x converge et ∣RN(x)∣≤1N+1+x\boxed{\forall x\geq0,\ \sum_{n\geq1}\frac{(-1)^n}{n+x}\ \text{converge et}\ \lvert R_N(x)\rvert\leq\frac1{N+1+x}}

ℹ️ La majoration du reste par le premier terme négligé est la partie quantitative de Leibniz — c'est elle, et non la seule convergence, qui va donner l'uniformité. Vérifiée numériquement sur x∈{0,12,1,3}x\in\{0,\tfrac12,1,3\} pour N=7N=7 ✓.

Question 2 : le reste est majoré uniformément — convergence uniforme

Pour tout x≥0x\geq0, 1N+1+x≤1N+1\dfrac1{N+1+x}\leq\dfrac1{N+1} (le dénominateur est minimal en x=0x=0). Donc

∥RN∥∞=sup⁡x≥0∣RN(x)∣≤1N+1→N→∞0.\lVert R_N\rVert_\infty=\sup_{x\geq0}\lvert R_N(x)\rvert\leq\frac1{N+1}\xrightarrow[N\to\infty]{}0.
Par définition, ∑un\sum u_n converge uniformément sur [0,+∞[[0,+\infty[. ■\blacksquare

Comme les unu_n sont continues, la somme S(x)=∑n≥1(−1)nn+xS(x)=\sum_{n\geq1}\dfrac{(-1)^n}{n+x} est continue sur [0,+∞[[0,+\infty[ (B1). Et par le théorème de la double limite (D2), S(x)→0S(x)\to0 quand x→+∞x\to+\infty, puisque chaque un(x)→0u_n(x)\to0 — ce que confirme la majoration directe ∣S(x)∣=∣R0(x)∣≤11+x\lvert S(x)\rvert=\lvert R_0(x)\rvert\leq\dfrac1{1+x}.

∥RN∥∞≤1N+1→0 : CU sur [0,+∞[, S continue, ∣S(x)∣≤11+x\boxed{\lVert R_N\rVert_\infty\leq\frac1{N+1}\to0\ :\ \text{CU sur }[0,+\infty[,\ S\text{ continue},\ \lvert S(x)\rvert\leq\tfrac1{1+x}}

⚠️ Les trois hypothèses de Leibniz ont été vérifiées pour tout xx à la fois, avec des constantes indépendantes de xx — c'est ce qui autorise le sup. Une hypothèse vérifiée « pour chaque xx » avec un rang dépendant de xx ne donnerait que la convergence simple.

Question 3 : les normes ne sont pas sommables

∣un(x)∣=1n+x\lvert u_n(x)\rvert=\dfrac1{n+x} est décroissante en xx sur [0,+∞[[0,+\infty[ : son maximum est en x=0x=0,

∥un∥∞=1n.\lVert u_n\rVert_\infty=\frac1n.
Or ∑1n\sum\dfrac1n diverge (série harmonique). La série ne converge donc pas normalement sur [0,+∞[[0,+\infty[ — ni d'ailleurs sur aucun intervalle [0,A][0,A], puisque le sup y vaut aussi 1n\tfrac1n. Elle ne converge pas non plus absolument en aucun point : ∑1n+x\sum\tfrac1{n+x} diverge pour tout xx (comparaison à 1n\tfrac1n).

∥un∥∞=1n (en x=0), ∑1n=+∞ : CU sans CN\boxed{\lVert u_n\rVert_\infty=\frac1n\ \text{(en }x=0\text{)},\ \sum\frac1n=+\infty\ :\ \text{CU sans CN}}

ℹ️ Ici la convergence normale échoue « partout » et l'uniforme réussit « partout » : les deux notions sont réellement distinctes, pas seulement sur des ouverts pathologiques.

Question 4 : les valeurs, et la cohérence avec le reste

S(0)=∑n≥1(−1)nn=−ln⁡2≈−0,693147S(0)=\sum_{n\geq1}\dfrac{(-1)^n}n=-\ln2\approx-0{,}693147 (série harmonique alternée). S(1)=∑(−1)nn+1=−(1−12+13−⋯ )+1=ln⁡2−1≈−0,306853S(1)=\sum\dfrac{(-1)^n}{n+1}=-\left(1-\tfrac12+\tfrac13-\cdots\right)+1=\ln2-1\approx-0{,}306853. S ⁣(12)=∑(−1)nn+1/2=2∑(−1)n2n+1=2(π4−1)=π2−2≈−0,429204S\!\left(\tfrac12\right)=\sum\dfrac{(-1)^n}{n+1/2}=2\sum\dfrac{(-1)^n}{2n+1}=2\left(\tfrac\pi4-1\right)=\dfrac\pi2-2\approx-0{,}429204 (série de Leibniz pour π4\tfrac\pi4).

Cohérence avec la majoration. Pour N=7N=7, ∣R7(x)∣≤18+x\lvert R_7(x)\rvert\leq\dfrac1{8+x} : en x=0x=0, ≤0,125\leq0{,}125 ; en x=1x=1, ≤19≈0,111\leq\tfrac19\approx0{,}111 ; en x=12x=\tfrac12, ≤217≈0,118\leq\tfrac2{17}\approx0{,}118. Les sommes partielles S7(x)S_7(x) diffèrent bien des valeurs exactes d'au plus ces quantités (vérifié machine sur les quatre points) ✓. Et ∣S(x)∣≤11+x\lvert S(x)\rvert\leq\tfrac1{1+x} : 0,693≤10{,}693\leq1, 0,307≤120{,}307\leq\tfrac12, 0,429≤230{,}429\leq\tfrac23 ✓.

S(0)=−ln⁡2≈−0,693147,S(1)=ln⁡2−1≈−0,306853,S ⁣(12)=π2−2≈−0,429204\boxed{S(0)=-\ln2\approx-0{,}693147,\quad S(1)=\ln2-1\approx-0{,}306853,\quad S\!\left(\tfrac12\right)=\tfrac\pi2-2\approx-0{,}429204}
Rappel de cours

Leibniz uniforme. Si pour tout x∈Ix\in I la suite (an(x))(a_n(x)) est positive, décroissante en nn, et si ∥an∥∞→0\lVert a_n\rVert_\infty\to0, alors ∑(−1)nan\sum(-1)^na_n converge uniformément sur II, avec ∥RN∥∞≤∥aN+1∥∞\lVert R_N\rVert_\infty\leq\lVert a_{N+1}\rVert_\infty.

CU ⇏ CN : ∑(−1)nn+x\sum\dfrac{(-1)^n}{n+x} sur [0,+∞[[0,+\infty[.

Prouver une CU par le reste est la méthode générale ; la convergence normale n'en est qu'un cas particulier commode.

L'erreur classique

⚠️ « Pas normale, donc pas uniforme. » Faux : cet exercice est le contre-exemple. La convergence normale est suffisante, jamais nécessaire.

⚠️ Appliquer Leibniz sans l'uniformité de la limite nulle. Pour an(x)=xn+x2a_n(x)=\dfrac x{n+x^2}, chaque an(x)→0a_n(x)\to0, mais ∥an∥∞=12n\lVert a_n\rVert_\infty=\dfrac1{2\sqrt n} — ça tend encore vers 00, donc ça marche ; pour an(x)=nx1+n2x2⋅1na_n(x)=\dfrac{nx}{1+n^2x^2}\cdot\tfrac1{\sqrt n}… bref, il faut vérifier ∥aN+1∥∞→0\lVert a_{N+1}\rVert_\infty\to0, pas seulement aN+1(x)→0a_{N+1}(x)\to0.

⚠️ Confondre le reste et le premier terme négligé. La majoration ∣RN∣≤aN+1\lvert R_N\rvert\leq a_{N+1} est une conséquence du critère, valable seulement sous ses hypothèses.

À retenir

∑(−1)nn+x\sum\dfrac{(-1)^n}{n+x} converge uniformément sur [0,+∞[[0,+\infty[ sans converger normalement : reste ≤1N+1\leq\tfrac1{N+1} par Leibniz uniforme, normes 1n\tfrac1n non sommables.

Une convergence uniforme se prouve par le reste ; la convergence normale est le raccourci, pas la définition. Valeurs : S(0)=−ln⁡2S(0)=-\ln2, S(1)=ln⁡2−1S(1)=\ln2-1, S(12)=π2−2S(\tfrac12)=\tfrac\pi2-2.

Réponse. Leibniz à xx fixé : convergence, ∣RN(x)∣≤1N+1+x≤1N+1\lvert R_N(x)\rvert\leq\tfrac1{N+1+x}\leq\tfrac1{N+1} (indépendant de xx) ⇒\Rightarrow CU sur [0,+∞[[0,+\infty[, SS continue, ∣S∣≤11+x\lvert S\rvert\leq\tfrac1{1+x} ; ∥un∥∞=1n\lVert u_n\rVert_\infty=\tfrac1n (en 00), ∑1n=∞\sum\tfrac1n=\infty : pas CN ; S(0)=−ln⁡2≈−0,693147S(0)=-\ln2\approx-0{,}693147, S(1)=ln⁡2−1≈−0,306853S(1)=\ln2-1\approx-0{,}306853, S(12)=π2−2≈−0,429204S(\tfrac12)=\tfrac\pi2-2\approx-0{,}429204.
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Σ 1/(n²+x²) : normale sur R, somme continue et intégrable terme à terme

CalculDifficulté 3/5

On pose, pour x∈Rx\in\mathbb{R}, un(x)=1n2+x2u_n(x)=\dfrac1{n^2+x^2} et S(x)=∑n≥1un(x)S(x)=\displaystyle\sum_{n\geq1}u_n(x). 1. Montrer que ∑un\sum u_n converge normalement sur R\mathbb{R} et que SS est continue, paire, et vérifie S(0)=π26S(0)=\dfrac{\pi^2}6. 2. Montrer que S(x)→0S(x)\to0 quand x→+∞x\to+\infty, en établissant S(x)≤11+x2+π2xS(x)\leq\dfrac1{1+x^2}+\dfrac\pi{2x} pour x>0x>0 (comparaison à une intégrale). 3. Justifier l'intégration terme à terme sur [0,1][0,1] et montrer que ∫01S(x) dx=∑n≥11narctan⁡1n≈1,40587\displaystyle\int_0^1S(x)\,\mathrm{d}x=\sum_{n\geq1}\frac1n\arctan\frac1n\approx1{,}40587. 4. On donne S(1)≈1,07667S(1)\approx1{,}07667, S(2)≈0,660404S(2)\approx0{,}660404, S(10)≈0,15208S(10)\approx0{,}15208 : comparer S(10)S(10) à π20≈0,15708\dfrac\pi{20}\approx0{,}15708 et commenter.

Indices (3)

1n2+x2≤1n2\dfrac1{n^2+x^2}\leq\dfrac1{n^2} pour tout xx : le majorant est évident et sommable.

Pour n≥2n\geq2, 1n2+x2≤∫n−1ndtt2+x2\dfrac1{n^2+x^2}\leq\displaystyle\int_{n-1}^n\frac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2} (décroissance en tt), et ∫0+∞dtt2+x2=π2x\int_0^{+\infty}\dfrac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2}=\dfrac\pi{2x}.

∫01dxn2+x2=1narctan⁡1n\displaystyle\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{n^2+x^2}=\frac1n\arctan\frac1n.

Correction détaillée
Ce qu'il faut voir

Une série normalement convergente sur R\mathbb{R} entier, cette fois avec un majorant 1n2\tfrac1{n^2} immédiat — et une somme dont on sait tout : continue, paire, décroissante sur [0,+∞[[0,+\infty[, de ζ(2)\zeta(2) en 00 à 00 à l'infini, avec la vitesse π2x\tfrac\pi{2x}. Le chapitre fournit chaque propriété par un théorème général, et le calcul explicite (forme close S(x)=πxcoth⁡(πx)−12x2S(x)=\dfrac{\pi x\coth(\pi x)-1}{2x^2}, hors programme, sert seulement à recouper) confirme tout.

👉 L'intérêt de l'exercice est la comparaison série-intégrale de la question 2, qui donne le comportement en +∞+\infty sans connaître la somme — et l'intégration terme à terme de la question 3, qui rend une série numérique inattendue.

Question 1 : normale sur R, continue, paire, S(0) = ζ(2)

Pour tout x∈Rx\in\mathbb{R}, 0<1n2+x2≤1n20<\dfrac1{n^2+x^2}\leq\dfrac1{n^2}, avec égalité en x=0x=0 : ∥un∥∞=1n2\lVert u_n\rVert_\infty=\dfrac1{n^2}, sommable (ζ(2)\zeta(2)). Convergence normale sur R\mathbb{R}, donc uniforme, donc simple ; les unu_n sont continues, donc SS est continue sur R\mathbb{R} (B1). Chaque unu_n est paire, donc SS aussi ; chaque unu_n est décroissante sur [0,+∞[[0,+\infty[, donc SS aussi (une somme de fonctions décroissantes est décroissante, et l'inégalité passe à la limite).

En x=0x=0 : S(0)=∑1n2=ζ(2)=π26≈1,64493S(0)=\sum\dfrac1{n^2}=\zeta(2)=\dfrac{\pi^2}6\approx1{,}64493.

∥un∥∞=1n2 : CN sur R,S continue, paire, deˊcroissante sur [0,+∞[,S(0)=π26\boxed{\lVert u_n\rVert_\infty=\frac1{n^2}\ :\ \text{CN sur }\mathbb{R},\quad S\text{ continue, paire, décroissante sur }[0,+\infty[,\quad S(0)=\frac{\pi^2}6}

Valeurs certifiées (recoupées par la forme close) : S(1)≈1,07667S(1)\approx1{,}07667, S(2)≈0,660404S(2)\approx0{,}660404.

Question 2 : S tend vers 0 à l'infini — comparaison série-intégrale

Fixons x>0x>0. La fonction t↦1t2+x2t\mapsto\dfrac1{t^2+x^2} est décroissante sur [0,+∞[[0,+\infty[, donc pour n≥2n\geq2,

1n2+x2≤∫n−1ndtt2+x2.\frac1{n^2+x^2}\leq\int_{n-1}^n\frac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2}.
En sommant pour n≥2n\geq2 (les intégrales se raccordent) :
∑n≥21n2+x2≤∫1+∞dtt2+x2≤∫0+∞dtt2+x2=[1xarctan⁡tx]0+∞=π2x.\sum_{n\geq2}\frac1{n^2+x^2}\leq\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2}\leq\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2}=\left[\frac1x\arctan\frac tx\right]_0^{+\infty}=\frac\pi{2x}.
En ajoutant le terme n=1n=1 :
0<S(x)≤11+x2+π2x→x→+∞0.0<S(x)\leq\frac1{1+x^2}+\frac\pi{2x}\xrightarrow[x\to+\infty]{}0.
Donc S(x)→0S(x)\to0. (Vérifié sur x∈{1,2,5,10,100}x\in\{1,2,5,10,100\} ✓.)

S(x)≤11+x2+π2x→0(x→+∞)\boxed{S(x)\leq\frac1{1+x^2}+\frac\pi{2x}\to0\quad(x\to+\infty)}

ℹ️ On aurait pu invoquer le théorème de la double limite (D2) : la convergence est uniforme sur R\mathbb{R} et chaque un(x)→0u_n(x)\to0 en +∞+\infty, donc S(x)→0S(x)\to0. La comparaison intégrale donne en plus la vitesse ≈π2x\approx\tfrac\pi{2x}, ce que le théorème ne dit pas.

Question 3 : intégrer terme à terme sur [0,1]

La convergence est uniforme sur R\mathbb{R}, donc sur [0,1][0,1], et les unu_n sont continues : l'intégration terme à terme est licite. Or

∫01dxn2+x2=[1narctan⁡xn]01=1narctan⁡1n.\int_0^1\frac{\mathrm{d}x}{n^2+x^2}=\left[\frac1n\arctan\frac xn\right]_0^1=\frac1n\arctan\frac1n.
Donc
∫01S(x) dx=∑n≥11narctan⁡1n≈1,40587.\int_0^1S(x)\,\mathrm{d}x=\sum_{n\geq1}\frac1n\arctan\frac1n\approx1{,}40587.
Cette série converge (son terme est ∼1n2\sim\tfrac1{n^2} puisque arctan⁡1n∼1n\arctan\tfrac1n\sim\tfrac1n), et sa valeur est recoupée à 10−1210^{-12} près par une quadrature de la forme close de SS sur [0,1][0,1] ✓. Ordre de grandeur : SS décroît de 1,6451{,}645 à 1,0771{,}077 sur [0,1][0,1], et 1,4061{,}406 est bien entre les deux.

∫01S=∑n≥11narctan⁡1n≈1,40587\boxed{\int_0^1S=\sum_{n\geq1}\frac1n\arctan\frac1n\approx1{,}40587}
Question 4 : S(10) contre π/20

S(10)≈0,15208S(10)\approx0{,}15208 et π20=π2⋅10≈0,15708\dfrac\pi{20}=\dfrac\pi{2\cdot10}\approx0{,}15708 : l'écart vaut 0,0050{,}005, soit 3 %3\,\%. La comparaison intégrale de la question 2 dit que S(x)S(x) est proche de ∫0+∞dtt2+x2=π2x\int_0^{+\infty}\tfrac{\mathrm{d}t}{t^2+x^2}=\tfrac\pi{2x} : l'équivalent S(x)∼π2xS(x)\sim\dfrac\pi{2x} en +∞+\infty est vrai, et le terme correctif est −12x2-\dfrac1{2x^2} (l'intégrale part de 00 et la somme de 11 : on perd « un demi-terme », 12⋅1x2\tfrac12\cdot\tfrac1{x^2}). Avec x=10x=10 : π20−1200=0,15708−0,005=0,15208\tfrac\pi{20}-\tfrac1{200}=0{,}15708-0{,}005=0{,}15208 ✓ exactement.

S(10)≈0,15208≈π20−1200,S(x)∼π2x (x→+∞)\boxed{S(10)\approx0{,}15208\approx\frac\pi{20}-\frac1{200},\qquad S(x)\sim\frac\pi{2x}\ (x\to+\infty)}

ℹ️ Le raffinement S(x)=π2x−12x2+o ⁣(1x2)S(x)=\tfrac\pi{2x}-\tfrac1{2x^2}+o\!\left(\tfrac1{x^2}\right) se lit sur la forme close πxcoth⁡(πx)−12x2\tfrac{\pi x\coth(\pi x)-1}{2x^2}, où coth⁡(πx)→1\coth(\pi x)\to1 exponentiellement vite. Ce n'est pas exigible ; la majoration de la question 2, elle, l'est.

Rappel de cours

Majorant évident ⇒\Rightarrow convergence normale : ∣un(x)∣≤Mn\lvert u_n(x)\rvert\leq M_n pour tout xx avec ∑Mn<∞\sum M_n<\infty.

Propriétés transmises : continuité (CU + termes continus), parité et monotonie (par la convergence simple), intégration terme à terme sur tout segment (CU).

Comparaison série-intégrale : pour ff décroissante positive, ∑n≥2f(n)≤∫1+∞f\sum_{n\geq2}f(n)\leq\int_1^{+\infty}f. Elle donne des vitesses, pas seulement des limites.

L'erreur classique

⚠️ Écrire S(x)→∑lim⁡un=0S(x)\to\sum\lim u_n=0 sans hypothèse. Le passage à la limite terme à terme exige la convergence uniforme sur un voisinage de +∞+\infty (double limite). Elle est vraie ici, mais il faut le dire — E4 montre le cas où c'est faux.

⚠️ Oublier le premier terme dans la comparaison intégrale. ∑n≥1f(n)≤∫0+∞f\sum_{n\geq1}f(n)\leq\int_0^{+\infty}f est faux en général ; c'est ∑n≥2f(n)≤∫1+∞f\sum_{n\geq2}f(n)\leq\int_1^{+\infty}f, plus f(1)f(1) à part.

⚠️ Intégrer arctan⁡\arctan de travers : ∫dxn2+x2=1narctan⁡xn\int\dfrac{\mathrm{d}x}{n^2+x^2}=\dfrac1n\arctan\dfrac xn, avec le facteur 1n\tfrac1n devant.

À retenir

∑1n2+x2\sum\dfrac1{n^2+x^2} : normale sur R\mathbb{R} par 1n2\tfrac1{n^2}, somme continue, paire, de ζ(2)\zeta(2) à 00, avec S(x)∼π2xS(x)\sim\tfrac\pi{2x}.

Deux outils : la comparaison série-intégrale pour la vitesse à l'infini, et l'intégration terme à terme sur [0,1][0,1] qui rend ∑1narctan⁡1n≈1,406\sum\tfrac1n\arctan\tfrac1n\approx1{,}406.

Réponse. ∥un∥∞=1n2\lVert u_n\rVert_\infty=\tfrac1{n^2} : CN sur R\mathbb{R}, SS continue, paire, décroissante, S(0)=π26S(0)=\tfrac{\pi^2}6 ; S(x)≤11+x2+π2x→0S(x)\leq\tfrac1{1+x^2}+\tfrac\pi{2x}\to0 ; ∫01S=∑1narctan⁡1n≈1,40587\int_0^1S=\sum\tfrac1n\arctan\tfrac1n\approx1{,}40587 ; S(1)≈1,07667S(1)\approx1{,}07667, S(2)≈0,660404S(2)\approx0{,}660404, S(10)≈0,15208≈π20−1200S(10)\approx0{,}15208\approx\tfrac\pi{20}-\tfrac1{200} (π20≈0,15708\tfrac\pi{20}\approx0{,}15708), S(x)∼π2xS(x)\sim\tfrac\pi{2x}.
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