Suites et séries de fonctions — CCINP et autres écoles

Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « suites et séries de fonctions », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) limite de la somme ; comparaison série-intégrale ; convergence normale
Pour {n\in\mathbb{N}}, on note {f_n(x)=e^{-n^2x^2}} et {S(x)=\sum\limits_{n=0}^\infty f_n(x)}.
a) Quel est l’ensemble de définition de {S} ?
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b) Étudier sa limite en {+\infty}.
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c) On donne {\int_0^\infty e^{-t^2/2}\,dt=\sqrt{\pi/2}}.

En déduire {\int_0^\infty e^{-t^2x^2}\,dt} pour {x>0}.

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d) Donner un équivalent de {S(x)} en {0}.
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Exercice 2. (★★★) convergence normale ; intégration terme à terme ; second ordre
Sur {[0,1]}, poser {g_0=1} et {g_n(x)=\int_0^xg_{n-1}(1-t)\,dt} pour {n\geq1}.
a) Montrer que la suite est bien définie.
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b) Montrer qu’elle est bornée et que {\lVert g_n\rVert_\infty\leq\tfrac12\lVert g_{n-1}\rVert_\infty}.
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c) Montrer que {\sum\limits g_n} converge uniformément sur {[0,1]}.
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d) Identifier sa somme {S}.
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Exercice 3. (★★) domaine de convergence ; convergence normale ; Séries entières
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^\infty x^{2n+2}/(n(n+1))}.
a) Déterminer son domaine {D}.
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b) Y a-t-il convergence uniforme sur {D} ?
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c) Déterminer {f(x)}.
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Exercice 4. (★★★) convergence simple ; convergence uniforme ; suites récurrentes
Soient {u_0(x)=x} et {u_{n+1}(x)=u_n(x)+\sin(u_n(x))}.

Étudier la convergence simple et uniforme sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 5. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; accroissements finis
Pour {f\in C^1([0,1])}, soit {f_n(x)=f(x+x(1-x)/n)} pour {n\geq1} et {f_0=0}.

Étudier les convergences simple et uniforme, puis étendre le résultat à {f} lipschitzienne.

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Exercice 6. (★★) convergence uniforme ; intégration des limites ; accroissements finis
Soit {g_n(t)=e^t(1-t/n)^n} sur {[0,1]}, {n\geq1}.

Montrer {|g_n'(t)|\leq e^t/n}, puis {|e^{-t}-(1-t/n)^n|\leq t/n}.

Étudier la convergence simple et uniforme de {G_n(x)=\int_0^xg_n(t)dt}.

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Exercice 7. (★★★) convergence simple ; convergence uniforme ; limite sous l’intégrale
Soit {f_n(x)=n\cos^nx\sin x} sur {[0,\pi/2]}.

Étudier la convergence simple, l’uniformité sur cet intervalle et sur {[\alpha,\pi/2]}, {\alpha>0}, puis montrer {\int_0^{\pi/2}f_n(t)g(t)dt\to g(0)} pour {g} continue.

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Exercice 8. (★★) convergence uniforme ; convergence normale ; séries alternées
Sur {I=[1,\infty[}, soit {f_n(x)=(-1)^n/\sqrt{1+nx}}.

Étudier les convergences simple, normale et uniforme de {\sum\limits f_n}, puis la limite de sa somme à l’infini.

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Exercice 9. (★★★) convergence normale ; prolongement dérivable ; majorations uniformes
Soit {f(x)=\sin(x^3)/(x\sqrt x)} pour {x>0}.

Montrer qu’elle se prolonge en une fonction {C^1} sur {\mathbb{R}_+}.

Pour {f_n(x)=f(n/x)f(nx)}, montrer la convergence normale de {\sum\limits f_n} sur {\mathbb{R}_+^\star}.

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Exercice 10. (★★★) convergence simple ; convergence normale ; convergence uniforme
Soit {a_n\geq0} décroissante vers zéro et {u_n(t)=a_n(1-t)t^n} sur {[0,1]}.

Étudier la convergence simple, donner une condition de convergence normale, puis montrer la convergence uniforme de {\sum\limits u_n}.

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Exercice 11. (★★) convergence uniforme ; convergence normale ; séries dérivées
Sur {\mathbb{R}_+}, soit {u_n(x)=x/(1+n^2x)^2}.

Étudier les convergences simple et uniforme de {\sum\limits u_n} et {\sum\limits u_n'}.

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Exercice 12. (★★★) continuité de la somme ; convergence normale ; Calcul asymptotique
Pour {n\geq1}, {x\geq0}, soit {f_n(x)=x/(n(1+n^2x^2))}.

Étudier la convergence simple, la continuité de la somme et son équivalent en zéro positif.

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Exercice 13. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration terme à terme ; intégration par parties
Soit {S(x)=\sum\limits_{n\geq0}(-1)^n/(n!(x+n))}.

Montrer sa définition pour {x>0}, calculer {S(1)}, montrer {xS(x)=e^{-1}+S(x+1)}, puis {S(x)\sim1/x} en zéro et sa régularité {C^\infty}.

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Exercice 14. (★★★) convergence normale ; rayon de convergence ; continuité au bord
Étudier le domaine et la continuité de {S(x)=\sum\limits_{n\geq1}\sin(1/\sqrt n)x^n}.

Montrer la convergence normale sur {[-1,1]} de {\sum\limits_{n\geq1}(\sin(1/\sqrt n)-\sin(1/\sqrt{n-1}))x^n}, puis déterminer {\lim_{x\to1^-}(1-x)S(x)}.

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Exercice 15. (★★) dérivation terme à terme ; convergence normale ; majorations uniformes
Montrer que {S:x\mapsto\sum\limits_{k=1}^{+\infty}\left(\ln\left(1+\frac xn\right)-\frac xn\right)} est bien définie et de classe {C^1} sur {[0,1]}.
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Exercice 16. (★★) convergence uniforme ; dérivation terme à terme ; séries alternées
Montrer que {f:x\mapsto\sum\limits_{k=1}^{+\infty}(-1)^k\ln\left(1+\frac xk\right)} est de classe {C^1} sur {\mathbb{R}_+}.
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Exercice 17. (★★) convergence uniforme ; convergence normale ; séries dérivées
Pour {n\ge1}, on pose {u_n(x)=\frac{x}{(1+n^2x)^2}}.

Étudier la convergence simple puis uniforme de {\sum\limits u_n} et {\sum\limits u'_n} sur {\mathbb{R}_+}.

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Exercice 18. (★★★) convergence normale locale ; convergence uniforme ; continuité de la somme
Soit {f:x\mapsto\sum\limits_{n\ge1}nx e^{-nx^2}}.
a) Déterminer le domaine de définition de {f}.

b) Étudier les modes de convergence de cette série de fonctions.

c) Donner une expression simplifiée de {f(x)}.

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Exercice 19. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; convergence normale
Soit {f:x\mapsto\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\frac1{1+x^n}}.
a) Étudier la convergence simple sur {[1,+\infty[}.

b) Étudier la convergence uniforme.

c) La série converge-t-elle uniformément sur {]1,+\infty[} ?

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Exercice 20. (★★★) convergence normale ; comparaison série-intégrale ; continuité
On pose {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}\frac{2x}{x^2+n^2}}.
a) Montrer que {f} est définie sur {\mathbb{R}} et est impaire.

b) La série converge-t-elle normalement sur {\mathbb{R}} ?

Montrer que {f} est continue sur {\mathbb{R}}.

d) Déterminer les limites en {-\infty} et {+\infty}.

e) Étudier la convergence uniforme sur {[1,+\infty[}.

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Exercice 21. (★★) théorème de Weierstrass ; convergence uniforme ; approximation polynomiale
Soit {f\in C^0([0,1],\mathbb{R})} telle que {\int_0^1f(t)t^n\,dt=0} pour tout {n\in\mathbb{N}}.

Rappeler le théorème de Weierstrass et montrer que {f=0}.

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Exercice 22. (★★★) convergence uniforme ; convergence simple ; continuité de la limite
Soit {f(x)=2x(1-x)} sur {[0,1]}, et {f_n} sa {n}-ième itérée.
1) Déterminer la limite simple {g} de {(f_n)}. La convergence est-elle uniforme ?
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2) Pour {0\lt a\lt 1/2}, montrer la convergence uniforme sur {[a,1-a]}.
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Exercice 23. (★★★★) dérivation terme à terme ; convergence normale ; convergence absolue
Pour {x\in\mathbb{R}}, soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}\sin(nx)\cos^n x/n}.
1) Montrer que {f} est définie sur {\mathbb{R}}.
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2) Montrer qu’elle est de classe {C^1} sur {]0,\pi[} et calculer {f'}.
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Exercice 24. (★★★★) convergence absolue ; développements limités ; équivalents
Déterminer le domaine de {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}1/\sinh(nx)} et un équivalent en {0^+}.
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Exercice 25. (★★★) comparaison série-intégrale ; convergence normale ; équivalents
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}e^{-x\sqrt n}}.
1) Déterminer ses domaines de définition et de continuité.
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2) Déterminer sa limite en {+\infty}.
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3) Donner un équivalent en {0^+}.
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Exercice 26. (★★★) convergence dominée ; convergence uniforme ; Intégration sur un intervalle quelconque
Soit {I_n=\int_0^{+\infty}(1+t^4)^{-n}\,dt}, {n\geq1}.
1) Justifier la convergence de l’intégrale.
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2) Étudier la monotonie de {(I_n)} et montrer qu’elle converge.
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3) Montrer {I_{n+1}=(4n-1)I_n/(4n)}.
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4) Étudier {\sum\limits\ln((4n-1)/(4n))} et en déduire la limite de {I_n}.
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5) Pour {f_n(x)=x/(1+x^4)^n}, étudier la convergence simple sur {\mathbb{R}_+} et l’uniformité.
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6) Retrouver la limite de {I_n} par convergence dominée.
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PSI


Exercice 1. (★) Convergence simple ; Convergence uniforme
Soit {a>0}. Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {f_n(x)=nx(x^2+a)\exp(-x/(nx+1))}.
a) Montrer que {(f_n)} converge simplement sur {[0,1]}.

b) Étudier la convergence uniforme sur {[0,1]} selon la valeur de {a}.

c) Soit {h>0}.

Montrer la convergence uniforme sur {[h,1]} pour tout {a}.

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Exercice 2. (★★) Convergence uniforme ; Convergence normale ; Convergence simple
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {f_n(x)=x^ne^{-x}/n!} sur {\mathbb{R}_+}.
a) Montrer que {(f_n)} converge simplement.
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b) La convergence est-elle uniforme ? On pourra utiliser la formule de Stirling.
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c) Montrer que {\sum\limits f_n} converge simplement.
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d) Montrer la convergence normale sur {[0,a]} pour tout {a>0}.
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e) Montrer que la série ne converge pas uniformément sur {\mathbb{R}_+}.
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Exercice 3. (★★★) Dérivation terme à terme ; Convergence normale ; Continuité de la somme
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}\arctan(nx)/n^2}.
a) Montrer que {f} est définie sur {\mathbb{R}}.
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b) Donner sa limite en {+\infty}. On donne {\sum\limits_{n\geq 1}1/n^2=\pi^2/6}.
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c) Montrer que {f} est de classe {C^1} sur {\mathbb{R}^\star}.
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d) Calculer la limite de {f'} en {0}.
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e) Donner l’allure du graphe de {f}.
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Exercice 4. (★★★) Convergence simple ; Convergence uniforme ; Convergence normale
Soit {f_n(x)=xe^{-\sqrt{n|x|}}}.
a) Déterminer le domaine de convergence simple de la suite {(f_n)}.
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b) Calculer {\lVert f_n\rVert_\infty}.

Qu’en déduire ?

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c) Déterminer le domaine {D} de convergence simple de {\sum\limits f_n}. Y a-t-il convergence normale sur {D} ?
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d) Pour {a>0}, étudier la convergence uniforme de la série sur {D\setminus[-a,a]}.
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Exercice 5. (★★★) Convergence uniforme ; Convergence simple ; Convergence dominée
Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {f_n(x)=\frac{1-e^{-nx}}{x^a(1+x^n)}, \qquad x\in]0,1], \qquad I_n=\int_0^1f_n(t)\,dt.}
a) Étudier la convergence simple. On note {f} la limite.
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b) Existe-t-il des valeurs de {a} pour lesquelles la convergence est uniforme ?
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c) Pour {a\in[0,1]}, montrer que {I_n} converge.
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d) Pour {a\in[0,1[}, déterminer {\lim I_n}.
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e) Qu’en est-il pour {a=1} ?
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Exercice 6. (★★) Convergence simple ; Convergence uniforme ; Continuité de la limite
Pour {n\in\mathbb{N}}, poser {f_n(x)=(1-x^n)/(1+x^n)} sur {\mathbb{R}_+}.

Étudier les convergences simple et uniforme.

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Exercice 7. (★★) Régularité de classe C1 ; Convergence normale ; Dérivation terme à terme
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}\cos(nx)/(n^3+x^2)}.

Montrer qu’elle est définie et de classe {C^1} sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 8. (★★) Continuité de la somme ; Convergence normale ; Convergence simple
Étudier le domaine de définition et la continuité de {S(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}n^xe^{-nx}}.
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Exercice 9. (★★) Continuité de la somme ; Convergence normale ; Dérivation terme à terme
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}(-1)^n/(1+x^n)}.

Déterminer son ensemble de définition, étudier continuité, limite en {+\infty} et dérivabilité.

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Exercice 10. (★) convergence simple ; convergence uniforme ; parties bornées
Pour {n\ge1}, soit {f_n(x)=\min(n,x^2/n)}.

Étudier sa convergence simple puis uniforme.

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Exercice 11. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; suites de points
Sur {[0,1]}, on pose {f_n(x)=\sin(nxe^{-nx^2})}.
a) Montrer que {(f_n)} converge simplement et déterminer sa limite.

b) Montrer la convergence uniforme sur {[a,1]} pour {a\in]0,1]}.

c) Calculer {\lim f_n(1/n)} et en déduire l’absence de convergence uniforme sur {[0,1]}.

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Exercice 12. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; majorations uniformes
Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {f_n(x)=nx^2/(1+nx)} si {x\ge0}, et {f_n(x)=nx^3/(1+nx^2)} si {x\lt 0}.
a) Étudier la convergence simple.

b) Étudier la convergence uniforme.

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Exercice 13. (★★) convergence uniforme ; convergence normale ; séries alternées
Étudier les convergences simple puis uniforme de {\sum\limits_{n\ge1}(-1)^ne^{-nx}/n}.
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Exercice 14. (★★★) Calcul asymptotique ; convergence normale ; comparaison série-intégrale
Soit {f(t)=\sum\limits_{n\ge1}\frac{t^n}{1+t^n}}.
a) Déterminer son domaine réel.

b) {f} est-elle continue sur ce domaine ?

c) Déterminer un équivalent en {1^-}.

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Exercice 15. (★★★) convergence normale ; convergence uniforme ; Intégration sur un intervalle quelconque
Pour {x>0} et {n\ge2}, soit {u_n(x)=\ln(x)/(x^n\ln n)}.
a) Déterminer le domaine {D} de convergence de {\sum\limits u_n}.

b) Montrer qu’elle ne converge pas normalement sur {D}.

c) Pour {x\ge1}, montrer {|R_n(x)|\le1/\ln(n+1)}.

d) Étudier la continuité de {S=\sum\limits_{n=2}^{+\infty}u_n} sur {D}.

e) Montrer que {S} est intégrable sur {D}.

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Exercice 16. (★★) convergence normale ; séries alternées ; équivalents
Soit {a\in\mathbb{R}} et {S(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}a^n/(n+x)}.
a) Déterminer le domaine suivant {a}. On suppose ensuite {|a|\lt 1}.

b) Montrer que {S} est continue sur {\mathbb{R}_+^\star}.

c) Exprimer {S(x+1)} en fonction de {S(x)}.

d) Trouver un équivalent en {0}.

e) Déterminer la limite en {+\infty}.

f) Trouver un équivalent en {+\infty}.

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Exercice 17. (★★★) convergence normale ; passage à la limite sous l’intégrale ; dérivées successives
Sur {[0,1]}, soit {u_0=1} et {u_{n+1}(x)=1+\int_0^xu_n(t-t^3)\,dt}.
a) Montrer que les {u_n} sont {C^\infty}.

b) Montrer {0\le u_{n+1}(x)-u_n(x)\le x^{n+1}/(n+1)!}.

c) Montrer la convergence normale de {\sum\limits(u_{n+1}-u_n)}.

d) Montrer que {u_n} converge uniformément vers une fonction non nulle {f\in C^\infty} vérifiant {f'(x)=f(x-x^3)}.

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Exercice 18. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties ; intégration terme à terme
Pour {n,p\ge1}, soit {I_{n,p}=\int_0^1x^p(\ln x)^n\,dx}.
a) Justifier l’intégrale.

b) Relier {I_{n-1,p}} et {I_{n,p}}.

c) Montrer que {f(x)=1/x^x} est intégrable sur {]0,1]}.

d) Montrer {\int_0^1f(x)\,dx=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}1/n^n}.

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Exercice 19. (★★★) convergence uniforme ; comparaison somme-intégrale ; sommes télescopiques
Pour {n\geq1} et {0\lt x\lt 1}, soit {f_n(x)=\sum\limits_{k=1}^nx^k/k-\int_1^n x^t/t\,dt}.

Étudier la convergence de {(f_n)}.

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Exercice 20. (★★★) convergence simple ; convergence uniforme ; dérivées
Pour {n\geq1}, soit {f_n(x)=n^2x^2/(1+n^3x^3)} sur {[0,1]}.
1) Étudier les convergences simple et uniforme de {(f_n)}.

2) Même question pour {(f_n')}.

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Exercice 21. (★★★) continuité d’une limite uniforme ; convergence uniforme ; convergence simple
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {f_n(x)=nx^2/(1+nx)} si {x\geq0}, et {f_n(x)=nx^3/(1+nx^2)} si {x\lt 0}.
1) Montrer que {(f_n)} converge uniformément sur {\mathbb{R}} et préciser sa limite.
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2) Montrer que les {f_n} sont dérivables et étudier {(f_n')}.
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Exercice 22. (★★★) convergence normale ; monotonie ; équivalents
Pour {n\geq1} et {x>0}, soit {f_n(x)=1/\sinh(nx)} et {f=\sum\limits_{n\geq1}f_n}.
1) Donner son domaine de définition.
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2) Donner son domaine de continuité.
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3) Étudier ses variations.
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4) Montrer qu’il existe {x_0>0} tel que {f_n(x)\leq3e^{-nx}} pour {x\geq x_0}, {n\geq2}.
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5) Montrer {f(x)\sim1/\sinh x} lorsque {x\to+\infty}.
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Exercice 23. (★★★) série géométrique ; dérivation terme à terme ; primitives
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}e^{(2n+1)x}/(2n+1)^2}.
1) Déterminer son domaine.

2) Montrer qu’elle y est de classe {C^2}.

3) En déduire une expression de {f}.

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Exercice 24. (★★) série géométrique ; convergence normale ; exponentielle complexe
Déterminer le domaine et une expression usuelle de {S(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}\cos(nx)/2^n}.
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Exercice 25. (★★★★) convergence uniforme ; convergence normale ; dérivation terme à terme
Pour {n\geq1}, soit {u_n(x)=\ln(1+n^2x^2)/(n^2\ln(1+n))} et {S=\sum\limits_{n\geq1}u_n}.
1) Déterminer son domaine {D}.
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2) Montrer sa continuité sur {D}.
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3) Montrer que {\sum\limits u_n'} converge uniformément sur {D}, à l’aide d’une comparaison série–intégrale.
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4) Montrer que {S} est {C^1} sur {D}.
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Exercice 26. (★★★) dérivation terme à terme ; convergence normale ; continuité
Soient {a>0} et {\varphi} continue sur {I=[-a,a]}, avec {|\varphi(x)|\leq c|x|} pour un {c\geq0}. On cherche les {f} continues sur {I} telles que {f(0)=0} et {f(x)-f(x/2)=\varphi(x)}.
1) Montrer que {S(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\varphi(x/2^n)} est définie et continue.
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2) Montrer qu’elle est l’unique solution.
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3) Si {\varphi\in C^1(I)}, montrer que {S} est dérivable.
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PC


Exercice 1. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Convergence uniforme ; Convergence dominée
Soient {A>1}, {M\geq0} et {f\in C^0([1,A],\mathbb{R})}. On suppose {|\int_1^At^kf(t)\,dt|\leq M} pour tout {k\in\mathbb{N}}. Pour {n,p\in\mathbb{N}} et {u\in]1,A]}, on pose {P_n(X)=\sum_{k=1}^n\frac{(-1)^k}{k!}(X/u)^{pk}.}
a) Rappeler la série exponentielle et son rayon.
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b) Montrer que {|\int_1^AP_n(t)f(t)\,dt| \leq M\sum\limits_{k=1}^n1/(k!u^{pk})}.
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c) En déduire {\left|\int_1^A(e^{-(t/u)^p}-1)f(t)\,dt\right| \leq M(e^{(1/u)^p}-1).}
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d) Préciser la limite de {e^{-(t/u)^p}-1} quand {p\to+\infty} et montrer que {\int_u^Af(t)\,dt=0}.
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e) Montrer que {f=0}.
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Exercice 2. (★★★) Convergence simple ; Convergence uniforme ; Convergence normale
Pour {x\in\mathbb{R}}, on pose {f_n(x)=\cos^n x\sin x}.
a) Étudier la convergence simple de {(f_n)} et de {(nf_n)} sur {\mathbb{R}}.
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b) Calculer {\int_0^{\pi/2}nf_n(x)\,dx}.
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c) Montrer que {(nf_n)} ne converge pas uniformément sur {[0,\pi/2]}.
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d) Calculer {f_n'} et étudier les variations sur {[0,\pi/2]}.
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e) Montrer que {\sup_{\mathbb{R}}|f_n| =\sup_{[0,\pi/2]}|f_n|}.
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f) Montrer que {(f_n)} converge uniformément sur {\mathbb{R}}.
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h) Étudier les convergences simple, uniforme et normale de {\sum\limits f_n} sur {[0,\pi]}.
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Exercice 3. (★★★) Séries alternées ; Convergence uniforme ; Équivalents
On pose {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}(-1)^n/(n+x)} lorsque la série converge.
a) Rappeler le critère des séries alternées et les propriétés du reste.
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b) Montrer que {f} est définie et continue sur {\mathbb{R}_+^\star}.
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c) Montrer que {f(x)=1/x-f(x+1)}, puis {2f(x)=\frac1x+ \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{(n+x)(n+x+1)}.}
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d) Montrer que {|f(x)-1/(2x)|\leq1/[2x(x+1)]}.

En déduire un équivalent en {+\infty}.

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e) Montrer que {f(x)\sim1/x} en {0^+}.
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f) Montrer que {f(x)=\int_0^1t^{x-1}/(1+t)\,dt} pour {x>0}.
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Exercice 4. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; norme uniforme
Soit {f_n(x)=\cos^nx\sin x}.
1) Étudier les convergences simple et uniforme de {f_n} et {nf_n} sur {\mathbb{R}}.

2) Calculer {\int_0^{1/2}nf_n(t)\,dt} et en déduire l’absence de convergence uniforme de {nf_n} sur ce segment.

Qu’en est-il de {f_n} ?

3) Calculer {f_n'}, trouver {\alpha_n\in]0,1[} tel que {f_n'(\arccos\alpha_n)=0} et donner les variations sur {[0,\pi/2]}.

4) Montrer {\sup_{\mathbb{R}}f_n=\sup_{[0,\pi/2]}f_n}.

Conclure sur la convergence uniforme sur {\mathbb{R}}.

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Exercice 5. (★★) convergence uniforme ; continuité de la somme ; critère des séries alternées
Montrer que {f(x)=\sum\limits_{n\ge1}(-1)^n/(n+x)} est bien définie et continue sur {\mathbb{R}_+}.

Donner un équivalent en {0^+}.

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Exercice 6. (★★★) dérivation terme à terme ; limites de la somme ; convergence normale
Soit {S(x)=\sum\limits_{n\ge1}x/(n(1+nx^2))}.

Montrer qu’elle est définie sur {\mathbb{R}} et {C^1} sur {\mathbb{R}^\star}.

Montrer que {S(x)/x} est décroissante et préciser sa limite en zéro.

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Exercice 7. (★★★) convergence normale ; convergence uniforme ; continuité de la somme
Pour {n\ge1}, poser {u_n(x)=x/(\sqrt n(1+nx^2))}.
1) Montrer la convergence simple sur {\mathbb{R}} et noter {f} la somme.

2) Étudier la convergence normale sur {\mathbb{R}_+} et sur {[a,\infty[}, {a>0}. {f} est-elle continue sur {\mathbb{R}_+^\star} ?

3) Pour {R_n=\sum\limits_{k>n}u_k}, montrer {R_n(x)-R_{2n}(x)\ge\sqrt n x/(\sqrt2(1+2nx^2))}. Y a-t-il convergence uniforme sur {\mathbb{R}_+} ?

4) Montrer {\arctan(1/x)\le f(x)\le\arctan(1/x)+x/(1+x^2)} pour {x>0}. {f} est-elle continue en zéro ?

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Exercice 8. (★★★) continuité de la somme ; convergence uniforme sur les compacts ; sommation par parties
Calculer {\sum\limits_{k=1}^ne^{ik\theta}}.

Pour deux suites complexes, poser {A_n=\sum\limits_{k=0}^na_k} et montrer {\sum_{k=0}^na_kb_k=a_0b_0-A_0b_1+A_nb_n +\sum_{k=1}^{n-1}A_k(b_k-b_{k+1}).}Avec {a_k=e^{ik\theta}}, {b_0=0}, {b_k=1/k} pour {k\ge1}, majorer le module de la dernière somme.

Pour {x\notin2\pi\mathbb{Z}}, calculer {\sum\limits_{k=1}^n\sin(kx)} sous forme d’un produit de sinus divisé par {\sin(x/2)}.

Montrer que {\sum\limits_{k\ge1}\sin(kx)/k} définit une fonction continue sur {]0,2\pi[}.

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Exercice 9. (★★★) intégration par parties ; intégration terme à terme ; changement de variable
Calculer {I_{p,q}=\int_0^1x^p(\ln x)^q\,dx} pour {p,q\in\mathbb{N}}.

En déduire {\int_0^1x^{-x}\,dx=\sum\limits_{n\ge1}1/n^n}.

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Exercice 10. (★★) convergence simple ; séries géométriques ; intégrabilité de la somme
Soit {f_n(x)=e^{-nx}-2e^{-2nx}} pour {x>0}.

Montrer que {\sum\limits_{n\ge1}f_n} converge simplement vers {f}, puis que {f} est intégrable sur {\mathbb{R}_+^\star}.

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Exercice 11. (★★) convergence simple ; convergence uniforme ; continuité de la limite
a) Définir la convergence uniforme de {g_n:\mathbb{R}\to\mathbb{C}} vers {g} sur une partie {X}. Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {f_n(x)=\frac{n+2}{n+1}e^{-nx^2}\cos(\sqrt n x)}.

b) Étudier la convergence simple.

c) Convergence uniforme sur {[0,+\infty[} ?

d) Sur {[a,+\infty[}, {a>0} ?

e) Sur {]0,+\infty[} ?

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Exercice 12. (★★) convergence uniforme ; convergence simple
Sur {[-1,1]}, soit {f_n(x)=\sin(nx)e^{-nx^2}}.
a) Montrer la convergence simple et déterminer {F}.

b) Montrer la convergence uniforme sur {[a,1]}, {0\lt a\lt 1}.

c) Est-elle uniforme sur {[-1,1]} ?

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Exercice 13. (★★) convergence normale ; série exponentielle complexe
Pour {x\in\mathbb{R}} et {n\ge1}, soit {u_n(x)=\sin(nx)/n!}.
a) Étudier les convergences simple, normale et uniforme de {\sum\limits u_n}.

b) Calculer sa somme.

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Exercice 14. (★★★) convergence normale ; continuité de la limite ; équivalents
Soit {S_n=\sum\limits_{k=1}^nk^n}.
a) Montrer {S_n\to+\infty}.

b) Pour {k\ge1}, soit {f_k(0)=e^{-k}}, {f_k(x)=(1-kx)^{1/x}} pour {0\lt x\lt 1/k}, et {f_k(x)=0} pour {x\ge1/k}.

Montrer que {f_k} est continue sur {\mathbb{R}_+}.

c) Montrer que {F=\sum\limits_{k=1}^{+\infty}f_k} est continue.

d) Montrer {F(1/n)=S_n/n^n}.

e) Trouver {C>0} tel que {S_n\sim Cn^n}.

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Exercice 15. (★★★★) convergence normale ; continuité de la limite ; équivalents
Pour {n\geq1}, {x\geq0}, soient {f_n(x)=1/(n+n^2x)} et {g_n(x)=xf_n(x)}. Pour {x>0}, on pose {f(x)=\sum\limits_{n\geq1}f_n(x)}.
1) Montrer que {f} est définie sur {\mathbb{R}_+^\star}.
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2) Étudier sa monotonie et sa continuité.
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3) Montrer {f(x)\to0} à l’infini.
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4) Montrer la convergence normale de {\sum\limits g_n} sur {\mathbb{R}_+}.
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5) Montrer {f(x)\sim A/x} à l’infini pour un {A>0}.
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6) Donner un équivalent en {0^+}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.