Étudier la convergence de la série S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} - Exercice 1

20 min
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Soit nn un nombre entier naturel. Soit xx un nombre réel.
Question 1

On considère la série réelle de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2}
Étudier la convergence de la série S(x)S(x).

Correction
Soit nn un nombre entier.
Soit xx un nombre réel.
On note un(x)=(−1)n2n+1(2n+1)2+x2u_n(x) = (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2}.
Ainsi :
∣ un(x) ∣=2n+1(2n+1)2+x2| \, u_n(x) \, | = \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2}.
On remarque de suite que les fonctions unu_n sont paires. De fait, posons x>0x>0 (nous regarderons attentivement le cas x=0x=0 dans la suite).
On a alors l'encadrement suivant :
0⩽∣ un(x) ∣⩽2n+1(2n+1)2+020 \leqslant | \, u_n(x) \, | \leqslant \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + 0^2}
Soit :
0⩽∣ un(x) ∣⩽12n+10 \leqslant | \, u_n(x) \, | \leqslant \dfrac{1}{2n+1}
Comme lim⁡n⟶+∞0=lim⁡n⟶+∞12n+1=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} 0 = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{2n+1} = 0 le théorème de l'encadrement nous permet d'affirmer que :
lim⁡n⟶+∞∣ un(x) ∣=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} | \, u_n(x) \, | = 0
Posons N=2n+1N = 2n+1 et on considère l'expression fonctionnelle f(N)=NN2+x2f(N) = \dfrac{N}{N^2 + x^2}, avec N>0N>0 et x>0x>0.
On constate alors que :
∀N>0,  f′(N)=(NN2+x2)′=(x−N)(x+N)(N2+x2)2=−(N−x)(N+x)(N2+x2)2\forall N > 0, \,\, f'(N) = \left( \dfrac{N}{N^2 + x^2} \right)' = \dfrac{(x - N) (x+N)}{ \left( N^2 + x^2 \right)^2} = -\dfrac{(N - x) (N + x)}{ \left( N^2 + x^2 \right)^2}
De fait :
∀N>x,  f′(N)<0\forall N > x, \,\, f'(N) < 0
Ainsi on peut affirmer que la suite de fonctions (NN2+x2)N∈N⋆\left( \dfrac{N}{N^2 + x^2} \right)_{N \in \mathbb{N}^\star} est décroissante à partir d'un certain rang. Ceci nous permet d'affirmer que la suite fonctions (2n+1(2n+1)2+x2)n∈N\left( \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} \right)_{n \in \mathbb{N}} est décroissante à partir d'un certain rang. Dit, de manière équivalente, la suite fonctions (∣ un(x) ∣)n∈N\left( | \, u_n(x) \, | \right)_{n \in \mathbb{N}} est décroissante à partir d'un certain rang.
D'après le théorème des séries alternées, on peut donc affirmer que la série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} converge simplement sur l'intervalle R+⋆\mathbb{R}^{+\star}.
Puis, on constate que un(0)=(−1)n2n+1(2n+1)2+02=(−1)n12n+1=(−1)n2n+1u_n(0) = (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + 0^2} = (-1)^n \dfrac{1}{2n+1} = \dfrac{(-1)^n}{2n+1}.
Or, le critère spécial des séries numérique alternée permet d'affirmer que la série numérique S(x=0)=∑n=0+∞(−1)n2n+1S(x=0) = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{2n+1} converge simplement.
De fait, la série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} converge simplement sur l'intervalle R+\mathbb{R}^{+}.
Par parité de (−1)n2n+1(2n+1)2+x2(-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} nous pouvons affirmer que la série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} converge simplement sur l'intervalle R\mathbb{R}.
Etudions maintenant la convergence normale de la série de fonction S(x)S(x) sur R\mathbb{R}.
Lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty on constate que :
2n+1(2n+1)2+x2∼+∞2n+1(2n+1)2\dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} \underset{+ \infty}{\sim} \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2}
Soit :
2n+1(2n+1)2+x2∼+∞2n(2n)2\dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} \underset{+ \infty}{\sim} \dfrac{2n}{(2n)^2}
Soit encore :
2n+1(2n+1)2+x2∼+∞12n\dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} \underset{+ \infty}{\sim} \dfrac{1}{2n}
Donc :
∣ un(x) ∣∼+∞12n| \, u_n(x) \, | \underset{+ \infty}{\sim} \dfrac{1}{2n}
Or, la série numérique ∑n=1+∞12n=12∑n=1+∞1n\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{2n} = \dfrac{1}{2} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n} est la moitiée de la série harmonique, de fait elle diverge. Ceci implique que la série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} ne converge pas normalement sur R\mathbb{R}.
Regardons le cas de d'une éventuelle convergence uniforme.
On peut écrire que :
S(x)=∑k=0+∞(−1)k2k+1(2k+1)2+x2=∑k=n+∞(−1)k2k+1(2k+1)2+x2+∑k=n+1+∞(−1)k2k+1(2k+1)2+x2S(x) = \sum_{k=0}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{2k+1}{(2k+1)^2 + x^2} = \sum_{k=n}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{2k+1}{(2k+1)^2 + x^2} + \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{2k+1}{(2k+1)^2 + x^2}
Faisons apparaître le reste Rn(x)R_n(x). Pour cela, on pose :
Rn(x)=∑k=n+1+∞(−1)k2k+1(2k+1)2+x2R_n(x) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-1)^k \dfrac{2k+1}{(2k+1)^2 + x^2}
On constate alors que le premier terme du reste, celui de rang minimal, majore le terme ∣ Rn(x) ∣| \, R_n(x) \, |. Donc :
∣ Rn(x) ∣⩽2(n+1)+1(2(n+1)+1)2+x2| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{2(n+1)+1}{(2(n+1)+1)^2 + x^2}
De fait, on a donc :
∣ Rn(x) ∣⩽2(n+1)+1(2(n+1)+1)2+02| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{2(n+1)+1}{(2(n+1)+1)^2 + 0^2}
Soit :
∣ Rn(x) ∣⩽2(n+1)+1(2(n+1)+1)2| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{2(n+1)+1}{(2(n+1)+1)^2}
En simplifiant :
∣ Rn(x) ∣⩽12(n+1)+1| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{1}{2(n+1)+1}
Ainsi, on trouve que :
∣ Rn(x) ∣⩽12n+3| \, R_n(x) \, | \leqslant \dfrac{1}{2n+3}
Cette majoration est indépendante de xx et de fait, cela entraine que la série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)n2n+1(2n+1)2+x2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \dfrac{2n+1}{(2n+1)^2 + x^2} converge uniformément sur l'intervalle R\mathbb{R}.

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