- Convergence normale. Chaque fn est continue et croissante sur I, donc
∥fn∥∞,I=x∈Isup∣xn∣=(21)n.La série ∑n2−n est géométrique de raison 21∈]0,1[, donc convergente, de somme 2. La série de fonctions ∑fn converge donc normalement sur I.
Les deux autres modes s’en déduisent. La convergence normale entraîne la convergence uniforme, qui entraîne la convergence simple. Les trois ont donc lieu sur I, et la somme vaut
S(x)=n⩾0∑xn=1−x1,x∈I.
La série ∑fn converge uniformément sur le segment I, et chaque fn y est continue. Le théorème d’intégration terme à terme d’une série uniformément convergente sur un segment s’applique :
∫01/2(n⩾0∑fn(x))dx=n⩾0∑∫01/2xndx.Or, pour tout n⩾0,
∫01/2xndx=[n+1xn+1]01/2=(n+1)2n+11.
Le membre de gauche se calcule directement, la somme de la série géométrique étant 1−x1 :
∫01/21−xdx=[−ln(1−x)]01/2=−ln21+ln1=ln2.En comparant avec la question 2 :
n⩾0∑(n+1)2n+11=ln2.■
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