Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series of functionUnreviewed

Somme d’une série de fonctions

by FiniteField·
35
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit f ⁣:xn=1+xn(1xn)(1xn+1)f\colon x\longmapsto\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty}\dfrac{x^n}{(1-x^n)(1-x^{n+1})} avec x±1.x\neq \pm 1.

  1. Déterminer le domaine de définition de ff puis étudier sa continuité.
  2. Donner une expression simple de f.f.
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  1. Oral Centrale filière PSI 2011 (RMS 122-2 974)
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Solution by FiniteField

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  1. Soit x<1\left|x\right|<1 alors xn(1xn)(1xn+1)xn\left|\dfrac{x^n}{(1-x^n)(1-x^{n+1})}\right|\sim \left|x\right|^n donc, par positivité et équivalence notre série est de même nature que celle de xn\displaystyle\sum \left|x\right|^n. Ainsi n=1+xn(1xn)(1xn+1)\displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty}\dfrac{x^n}{(1-x^n)(1-x^{n+1})} converge absolument.
    Soit x>1\left|x\right|>1 alors xn(1xn)(1xn+1)1xn+1\left|\dfrac{x^n}{(1-x^n)(1-x^{n+1})}\right|\sim\dfrac{1}{\left|x\right|^{n+1}} donc on a encore absolue convergence de la série. On en déduit que ff est définie sur Df=R{1,1}.\mathcal{D}_f=\mathbb{R}\setminus\left\{-1,1\right\}.
    Avant de poursuivre remarquons que x±1,\forall x\neq \pm 1,
    f(1x)=n=1+(1/x)n(1(1/x)n)(1(1/x)n+1)=xf(x).f\left(\dfrac{1}{x}\right)=\sum_{n=1}^{+\infty}\dfrac{(1/x)^n}{(1-(1/x)^n)(1-(1/x)^{n+1})}=xf(x).Ainsi, si on montre la continuité de ff sur ]1,1[]-1,1[ on aura sa continuité en x>1.\left|x\right|>1. Soit 0<δ<10<\delta<1 et x[δ,δ]x\in [-\delta,\delta] alors, par la première et la deuxième inégalité triangulaire, on a xn(1xn)(1xn+1)δn(1δn)(1δn+1)\left|\dfrac{x^n}{(1-x^{n})(1-x^{n+1})}\right|\leq \dfrac{\delta^n}{(1-\delta^n)(1-\delta^{n+1})} qui est le terme général d’une série convergente ne dépendant pas de xx. On a donc convergence normale de ff sur toute intervalle de la forme [δ,δ][-\delta,\delta] pour 0<δ<10<\delta<1 donc ff est continue sur ]1,1[]-1,1[ donc sur R{1,1}\mathbb{R}\setminus\left\{-1,1\right\} grâce à l’équation fonctionnelle satisfaite par f.f.
  2. Soit x<1\left|x\right|<1 on développe le dénominateur en utilisant deux fois la formule de la somme des termes d’une suite géométrique  ⁣:11u=k=0+uk\colon \dfrac{1}{1-u}=\displaystyle\sum_{k=0}^{+\infty}u^k.
    f(x)=n=1+xnk=0+xkn=0+x(n+1)=n=1+k=0+=0+xn+nk+(n+1).f(x)=\sum_{n=1}^{+\infty}x^n\sum_{k=0}^{+\infty}x^{kn}\sum_{\ell=0}^{+\infty}x^{(n+1)\ell}=\sum_{n=1}^{+\infty}\sum_{k=0}^{+\infty}\sum_{\ell=0}^{+\infty}x^{n+nk+(n+1)\ell}.La famille (xn+nk+(n+1))nN,(k,)N2(x^{n+nk+(n+1)\ell})_{n\in\mathbb{N}^*,(k,\ell)\in\mathbb{N}^2} étant sommable on peut réordonner notre somme, i.e. sommer par paquets. On somme donc d’abord sur (k,)N2(k,\ell)\in\mathbb{N}^2 puis sur nN ⁣:n\in\mathbb{N}^* \colon
    f(x)=(k,)N2+xn=1+x(1+k+)n=(k,)N2+xx1+k+1x1+k+f(x)=\sum_{(k,\ell)\in\mathbb{N}^{2}}^{+\infty}x^\ell\sum_{n=1}^{+\infty}x^{(1+k+\ell)n}=\sum_{(k,\ell)\in\mathbb{N}^{2}}^{+\infty}x^\ell\dfrac{x^{1+k+\ell}}{1-x^{1+k+\ell}}puis, en sommant par paquets obliques, i.e. posant le changement d’indice m=1+k+m=1+k+\ell,
    f(x)=m=1+xm1xm=0m1x=m=1+xm1xm1xm1x=11xm=1+xm=x2(1x)2.f(x)=\sum_{m=1}^{+\infty}\dfrac{x^m}{1-x^m}\sum_{\ell=0}^{m-1}x^\ell=\sum_{m=1}^{+\infty}\dfrac{x^m}{1-x^m}\dfrac{1-x^m}{1-x} =\dfrac{1}{1-x}\sum_{m=1}^{+\infty}x^m=\dfrac{x^2}{(1-x)^2}.

Soit x>1\left|x\right|>1 alors 1x<1,\left|\dfrac{1}{x}\right|<1, donc f(1x)=1x(11/x)2=x(x1)2=xf(x)f\left(\dfrac{1}{x}\right)=\dfrac{1}{x(1-1/x)^2}=\dfrac{x}{(x-1)^2}=xf(x). Donc
x>1,f(x)=1(x1)2.\forall \left|x\right|>1, f(x)=\dfrac{1}{(x-1)^2}.

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