Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series of functionReviewed

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

by Nugget·
39
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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research 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,nN.f_n(x)=x^n, \qquad n\in\mathbb{N}.

  2. Montrer que
    01/2(n0fn(x))dx=n01(n+1)2n+1.\int_0^{1/2}\left(\sum_{n\geq 0} f_n(x)\right)\,dx = \sum_{n\geq 0}\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}.

  3. En déduire que
    n01(n+1)2n+1=ln(2).\sum_{n\geq 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=supxIxn=(12)n.\|f_n\|_{\infty,I}=\sup_{x\in I}|x^{n}|=\left(\frac12\right)^{n}.La série n2n\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)=n0xn=11x,xI.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(n0fn(x))dx=n001/2xndx.\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 n0n\geqslant 0,
    01/2xndx=[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 11x\frac{1}{1-x} :
    01/2dx1x=[ln(1x)]01/2=ln12+ln1=ln2.\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 :
    n01(n+1)2n+1=ln2.\sum_{n\geqslant 0}\frac{1}{(n+1)2^{n+1}}=\ln 2 . \qquad\blacksquare

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