Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series of function

D’une série de fonctions à ln⁡(2)\ln(2)

by Nugget·
39
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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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  1. Étudier la convergence simple, uniforme et normale sur I:=[0,12]I:= \left[0,\frac12\right] de la série de fonctions de terme général
    fn(x)=xn,n∈N.f_n(x)=x^n, \qquad n\in\mathbb{N}.

  2. Montrer que
    ∫01/2(∑n⩾0fn(x)) dx=∑n⩾01(n+1)2n+1.\int_0^{1/2}\left(\sum_{n\geqslant 0} f_n(x)\right)\,\mathrm{d}x = \sum_{n\geqslant 0}\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}.

  3. En déduire que
    ∑n⩾01(n+1)2n+1=ln⁡(2).\sum_{n\geqslant 0}\frac{1}{(n+1)2^{n+1}} = \ln(2).

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  1. Convergence normale. Chaque fnf_n est continue et croissante sur II, donc
    ∥fn∥∞,I=sup⁡x∈I∣xn∣=(12)n.\|f_n\|_{\infty,I}=\sup_{x\in I}|x^{n}|=\left(\frac12\right)^{n}.La série ∑n2−n\sum_n 2^{-n} est géométrique de raison 12∈ ]0,1[\frac12\in\,]0,1[, donc convergente, de somme 22. La série de fonctions ∑fn\sum f_n converge donc normalement sur II.

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 II, et la somme vaut
S(x)=∑n⩾0xn=11−x,x∈I.S(x)=\sum_{n\geqslant 0}x^{n}=\frac{1}{1-x},\qquad x\in I .

  1. La série ∑fn\sum f_n converge uniformément sur le segment II, et chaque fnf_n y est continue. Le théorème d’intégration terme à terme d’une série uniformément convergente sur un segment s’applique :
    ∫01/2(∑n⩾0fn(x))dx=∑n⩾0∫01/2xn dx.\int_0^{1/2}\Bigl(\sum_{n\geqslant 0}f_n(x)\Bigr)\mathrm{d}x=\sum_{n\geqslant 0}\int_0^{1/2}x^{n}\,\mathrm{d}x .Or, pour tout n⩾0n\geqslant 0,
    ∫01/2xn dx=[xn+1n+1]01/2=1(n+1)2n+1.\int_0^{1/2}x^{n}\,\mathrm{d}x=\left[\frac{x^{n+1}}{n+1}\right]_0^{1/2}=\frac{1}{(n+1)2^{n+1}} .

  2. Le membre de gauche se calcule directement, la somme de la série géométrique étant 11−x\frac{1}{1-x} :
    ∫01/2dx1−x=[−ln⁡(1−x)]01/2=−ln⁡12+ln⁡1=ln⁡2.\int_0^{1/2}\frac{\mathrm{d}x}{1-x}=\Bigl[-\ln(1-x)\Bigr]_0^{1/2}=-\ln\frac12+\ln 1=\ln 2 .En comparant avec la question 2 :
    ∑n⩾01(n+1)2n+1=ln⁡2.■\sum_{n\geqslant 0}\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}=\ln 2 . \qquad\blacksquare

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