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Contrôle de maths L2 : convergence uniforme des séries de fonctions

    Contrôle de maths L2 : convergence uniforme des séries de fonctions

    Ce contrôle de maths de L2 porte sur le thème suivant : convergence uniforme des séries de fonctions.

    Ce partiel de L2 porte sur les suites et séries de fonctions. Vous commencerez par démontrer que la limite uniforme de fonctions continues est continue, puis l’interversion entre limite et intégrale sur un segment. Deux exemples classiques suivent : les fonctions \(x^n\) et une bosse qui glisse vers l’origine, tracée sur une figure.

    Ces exemples montrent pourquoi la convergence simple ne suffit pas. Ensuite, une série de fonctions converge simplement sans converger normalement, et sa somme est discontinue. Enfin, le problème étudie la fonction zêta de Riemann : continuité, dérivation terme à terme et double limite. Comptez 2 h 30, sans calculatrice.

    Fiche du contrôle
    • Niveau : licence L2
    • Chapitre : Suites et séries de fonctions
    • Durée conseillée : 2 h 30
    • Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 3,5 points ; exercice 5 : 4,5 points)
    • Compétences évaluées :
      • Communiquer : définir convergence simple et uniforme et démontrer la continuité d’une limite uniforme
      • Calculer : déterminer la norme infinie d’un écart par une étude de variations
      • Raisonner : exhiber un contre-exemple où limite et intégrale ne s’intervertissent pas
      • Chercher : établir la convergence normale d’une série de fonctions et en déduire la régularité de sa somme

    Exercice 1 : Question de cours : convergence uniforme et interversions (4 points)

    Calculatrice interdite. Documents interdits.

    Dans cet exercice, \(I\) est un intervalle de \(\mathbb{R}\), \((f_n)\) une suite de fonctions de \(I\) dans \(\mathbb{R}\) et \(f : I \to \mathbb{R}\).

    1. Donnez les définitions de « \((f_n)\) converge simplement vers \(f\) sur \(I\) » et de « \((f_n)\) converge uniformément vers \(f\) sur \(I\) », cette dernière à l’aide de la norme infinie. (1 point)
    2. On suppose chaque \(f_n\) continue sur \(I\) et la convergence uniforme sur \(I\). Démontrez que \(f\) est continue sur \(I\). (2 points)
    3. On suppose \(I = [a, b]\), avec \(a < b\), les \(f_n\) et \(f\) continues, et la convergence uniforme sur \([a,b]\). Démontrez que \(\displaystyle\int_a^b f_n(x)\,\mathrm{d}x \to \int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x\). (1 point)

    Exercice 2 : La suite de fonctions x puissance n (4 points)

    Pour \(n \in \mathbb{N}\) et \(x \in [0,1]\), on pose \(f_n(x) = x^n\) et \(g_n(x) = x^n(1 – x)\).

    1. Déterminez la limite simple \(f\) de la suite \((f_n)\) sur \([0,1]\). (0,5 point)
    2. La convergence est-elle uniforme sur \([0,1]\) ? Donnez deux justifications différentes. (1 point)
    3. Soit \(a \in ]0,1[\). Démontrez que \((f_n)\) converge uniformément sur \([0,a]\). (1 point)
    4. Calculez \(\displaystyle\lim_{n \to +\infty} \int_0^1 f_n(x)\,\mathrm{d}x\) et comparez-la à \(\displaystyle\int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x\). Que peut-on en conclure sur la réciproque de la question 1 c) ? (0,5 point)
    5. Démontrez que \((g_n)\) converge uniformément vers la fonction nulle sur \([0,1]\). (1 point)

    Exercice 3 : Une bosse qui glisse vers l’origine (4 points)

    Pour \(n \geq\, 1\) et \(x \geq\, 0\), on pose \(f_n(x) = n x e^{-nx}\). La figure représente \(f_1\), \(f_2\), \(f_5\) et \(f_{10}\).

    Courbes de n x exp(-nx) pour n = 1, 2, 5 et 10 sur [0, 3], avec la droite horizontale y = 1/e

    1. Démontrez que \((f_n)\) converge simplement vers la fonction nulle sur \([0, +\infty[\). (0,5 point)
    2. Étudiez les variations de \(f_n\), puis calculez \(\|f_n\|_\infty\) sur \([0, +\infty[\). La convergence est-elle uniforme sur \([0, +\infty[\) ? (1 point)
    3. Soit \(a > 0\). Démontrez que la convergence est uniforme sur \([a, +\infty[\). (1 point)
    4. On pose \(h_n = n f_n\). Démontrez que \((h_n)\) converge simplement vers \(0\) sur \([0,1]\), puis calculez \(\displaystyle\int_0^1 h_n(x)\,\mathrm{d}x\) et sa limite. Commentez. (1,5 point)

    Exercice 4 : Série de fonctions et convergence normale (3,5 points)

    Pour \(n \geq\, 1\) et \(x \geq\, 0\), on pose \(u_n(x) = x e^{-nx}\).

    1. Démontrez que la série \(\sum u_n\) converge simplement sur \([0,+\infty[\). Calculez sa somme \(S(x)\), en distinguant \(x = 0\) et \(x > 0\). (1 point)
    2. Calculez \(\|u_n\|_\infty\) sur \([0,+\infty[\). La série converge-t-elle normalement sur \([0,+\infty[\) ? (1 point)
    3. Soit \(a > 0\). Démontrez que la série converge normalement sur \([a,+\infty[\). (0,5 point)
    4. Étudiez la continuité de \(S\) en \(0\). La convergence de la série est-elle uniforme sur \([0,+\infty[\) ? (1 point)

    Exercice 5 : Problème : la fonction zêta de Riemann (4,5 points)

    Pour \(s > 1\), on pose \(\zeta(s) = \displaystyle\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^s}\).

    1. Soit \(a > 1\). Démontrez que la série converge normalement sur \([a, +\infty[\). Déduisez-en que \(\zeta\) est définie et continue sur \(]1, +\infty[\). (1 point)
    2. Démontrez que \(\zeta\) est de classe \(C^1\) sur \(]1, +\infty[\), exprimez \(\zeta^{\prime}(s)\) sous forme de série, et déduisez-en le sens de variation de \(\zeta\). (1,5 point)
    3. Déterminez la limite de \(\zeta(s)\) quand \(s \to +\infty\), en citant le théorème utilisé. (1 point)
    4. À l’aide d’une comparaison entre série et intégrale, démontrez que pour tout \(s > 1\) :
      \[\frac{1}{s-1} \leq\, \zeta(s) \leq\, 1 + \frac{1}{s-1}.\]
      Déduisez-en un équivalent de \(\zeta(s)\) quand \(s \to 1^+\). (1 point)

    Corrigé du contrôle de maths L2 : convergence uniforme des séries de fonctions

    Réviser avant le contrôle : convergence uniforme des séries de fonctions

    Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Suites et séries de fonctions » en L2 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés suites et séries de fonctions.

    Retrouvez tous les contrôles de maths de L2 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.

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