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Prepa Help › Cours › Mathématiques, 2e année

Suites et séries de fonctions en MP, MPI, PSI et PC : cours, méthodes et exercices corrigés

Convergence simple et uniforme des suites et séries de fonctions, convergence normale, continuité, intégration et dérivation de la limite, approximation uniforme selon les filières.

Les nombres sont ceux du chapitre complet ; chaque filière voit la partie qui correspond à son programme.

Une suite de fonctions peut converger en chaque point sans que sa limite garde la continuité, l'intégrale ou la dérivée des fonctions qui l'approchent : xnx^n converge sur [0,1][0, 1] vers une fonction discontinue. On apprend à distinguer la convergence simple de la convergence uniforme, à prouver ou réfuter une convergence uniforme par une majoration indépendante de la variable, à utiliser la convergence normale et le reste des séries alternées pour les séries de fonctions, et à appliquer les théorèmes de continuité, de double limite, d'intégration sur un segment et de dérivation en vérifiant leurs hypothèses sur tout segment ou sur des intervalles adaptés. On étudie enfin des fonctions définies par une série, comme ζ\zeta, jusqu'à leurs limites et leurs équivalents. Selon la filière : continuité en un point et double limite pour une suite en MP, MPI et PSI du Maroc, approximation uniforme et théorème de Weierstrass en MP et MPI, exponentielle dans une algèbre normée en MP du Maroc. Ce chapitre suit le programme de MP et PSI au Maroc et de MP, MPI, PC, PSI en France, pour le CNC et les concours français.

Ce que tu sauras faire

Une fonction est souvent définie comme limite d'une suite de fonctions, ou comme somme d'une série de fonctions : ζ(x)=∑n≥11nx\zeta(x) = \sum_{n \geq 1}\frac{1}{n^x}, arctan⁡x=∑n≥0(−1)nx2n+12n+1\arctan x = \sum_{n \geq 0}\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{2n + 1}. Pour l'étudier, il faut savoir si la limite hérite de la continuité, de l'intégrale et de la dérivée des fonctions qui l'approchent. La convergence point par point ne suffit pas : ce chapitre introduit la convergence uniforme, et pour les séries la convergence normale, puis les théorèmes qui permettent de passer à la limite. À la fin, tu dois savoir :

L’essentiel du chapitre Extrait gratuit

Un extrait de la fiche « L'essentiel » du chapitre. Les démonstrations sont dans le cours détaillé.

À retenir Modes de convergence
  • Simple sur AA : pour tout x∈Ax \in A, fn(x)→f(x)f_n(x) \to f(x) ; le rang dépend de xx.
  • Uniforme sur AA : sup⁡x∈A∣fn(x)−f(x)∣→0\sup_{x \in A}|f_n(x) - f(x)| \to 0 ; un même rang pour tous les xx. Pour des fonctions bornées, c'est la convergence pour ∥⋅∥∞\lVert\cdot\rVert_\infty.
  • Uniforme entraîne simple ; la réciproque est fausse (xnx^n sur [0,1[[0, 1[).
  • Série ∑un\sum u_n : simple, uniforme par les sommes partielles SnS_n ; uniforme si et seulement si sup⁡A∣Rn∣→0\sup_A|R_n| \to 0 (une fois la convergence simple acquise).
  • Normale sur AA : ∑∥un∥∞,A\sum\lVert u_n\rVert_{\infty, A} converge, ou ∣un(x)∣≤αn|u_n(x)| \leq \alpha_n pour tout xx avec ∑αn\sum\alpha_n convergente.
  • Normale entraîne uniforme et absolue en tout point ; les réciproques sont fausses.
  • Si ∑un\sum u_n converge uniformément, (un)(u_n) converge uniformément vers 00.
À retenir Les théorèmes et leur hypothèse
On veut Hypothèse de convergence Où la vérifier
ff ou SS continue sur II uniforme sur tout segment de II, ou sur des intervalles tels que chaque point de II ait un voisinage dans II contenu dans l'un d'eux
limite de SS en une borne aa uniforme sur un intervalle de bord aa
∫abfn→∫abf\int_a^bf_n \to \int_a^bf, ou ∫ab∑=∑∫ab\int_a^b\sum = \sum\int_a^b uniforme, fonctions continues sur le segment [a,b][a, b]
ff ou SS de classe C1\mathcal{C}^1 simple de (fn)(f_n), uniforme de (fn′)(f_n') sur tout segment de II
classe Ck\mathcal{C}^k simple jusqu'à l'ordre k−1k - 1, uniforme à l'ordre kk sur tout segment de II
À retenir Double limite pour une série

Si ∑un\sum u_n converge uniformément sur II et si un(x)→ℓnu_n(x) \to \ell_n quand xx tend vers une borne aa de II, alors ∑ℓn\sum\ell_n converge et ∑n=0+∞un(x)→∑n=0+∞ℓn\sum_{n=0}^{+\infty}u_n(x) \to \sum_{n=0}^{+\infty}\ell_n. Démonstration non demandée.

À retenir Séries alternées de fonctions

Si, pour tout xx, ∑un(x)\sum u_n(x) vérifie le critère spécial, ∣Rn(x)∣≤∣un+1(x)∣|R_n(x)| \leq |u_{n+1}(x)| ; la série converge uniformément dès que sup⁡A∣un+1∣→0\sup_A|u_{n+1}| \to 0. Exemple : ∑(−1)nn+x\sum\frac{(-1)^n}{\sqrt{n + x}} converge uniformément sur R+\mathbb{R}_+ sans converger normalement.

À retenir Contre-exemples à connaître
  • xnx^n sur [0,1][0, 1] : limite simple discontinue ; uniforme sur tout [0,a][0, a], a<1a < 1, pas sur [0,1[[0, 1[.
  • nxe−nxnxe^{-nx} sur R+\mathbb{R}_+ : sup⁡=1e\sup = \frac1e ; uniforme sur [a,+∞[[a, +\infty[, pas sur R+\mathbb{R}_+.
  • n2x(1−x)nn^2x(1 - x)^n sur [0,1][0, 1] : limite simple nulle, intégrale n2(n+1)(n+2)→1\frac{n^2}{(n + 1)(n + 2)} \to 1.
  • x2+1n→∣x∣\sqrt{x^2 + \frac1n} \to |x| uniformément sur R\mathbb{R}, limite non dérivable en 00.
  • ∑x2(1+x2)n\sum\frac{x^2}{(1 + x^2)^n} sur R\mathbb{R} : absolue en tout point, somme discontinue en 00, pas uniforme.

Une méthode du chapitre Extrait gratuit

Un exercice corrigé Extrait gratuit

Dans le chapitre complet

Le cours détaillé, toute la fiche « L'essentiel », 20 méthodes, 20 pièges corrigés, la carte mentale, 34 exercices corrigés, 6 problèmes de concours, les fiches à mémoriser et l'assistant qui répond à tes questions. Les trois premiers chapitres de chaque matière sont offerts avec un compte d’essai gratuit.

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Plan du cours

Les méthodes du chapitre

Chaque méthode est une fiche : quand l'utiliser, le rappel de cours, les étapes, la rédaction attendue sur la copie, un exemple traité, les erreurs à éviter.

  1. Organiser l'étude d'une suite ou d'une série de fonctions
  2. Étudier la convergence simple
  3. Prouver la convergence uniforme par le calcul de sup⁡∣fn−f∣\sup\lvert f_n - f\rvert
  4. Prouver la convergence uniforme par une majoration indépendante de xx
  5. Prouver l'absence de convergence uniforme
  6. Se restreindre : convergence uniforme sur tout segment, sur [a,+∞[[a, +\infty[, au voisinage d'un point
  7. Prouver la convergence normale d'une série de fonctions
  8. Prouver la convergence uniforme d'une série sans convergence normale : majorer le reste
  9. Prouver qu'une série ne converge pas normalement, ou pas uniformément
  10. Montrer la continuité d'une limite ou d'une somme
  11. Trouver la limite d'une somme en une borne : double limite ou encadrement
  12. Intégrer sur un segment une limite uniforme ou une série terme à terme
  13. Montrer qu'une limite ou une somme est de classe C1\mathcal{C}^1
  14. Montrer qu'une somme est de classe Ck\mathcal{C}^k ou C∞\mathcal{C}^\infty
  15. Trouver un équivalent d'une somme en une borne
  16. Exploiter une relation fonctionnelle ou la monotonie d'une somme
  17. Étudier une suite de fonctions définie par récurrence
  18. Approcher uniformément une fonction par des fonctions en escalier ou affines par morceaux
  19. Utiliser le théorème de Weierstrass, et en connaître les limites
  20. Dériver t↦exp⁡(ta)t \mapsto \exp(ta), et justifier la continuité d'une somme dans une algèbre normée

Les exercices corrigés

Chaque exercice a ses indications, sa correction rédigée et ce qu'il faut en retenir.

Application directe (14)

Entraînement (15)

Approfondissement (5)

Les problèmes de concours

Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.

Sujets de concours sur ce chapitre

5 sujets à télécharger gratuitement en PDF, sans corrigé. Tous les sujets de concours.

Questions fréquentes

Quelle différence entre convergence simple et convergence uniforme ?

La suite (fn)(f_n) converge simplement vers ff si fn(x)→f(x)f_n(x) \to f(x) pour chaque xx : le rang à partir duquel l'écart est petit peut dépendre de xx. Elle converge uniformément si sup⁡x∣fn(x)−f(x)∣→0\sup_x|f_n(x) - f(x)| \to 0 : un même rang convient pour tous les xx. La convergence uniforme entraîne la convergence simple ; la réciproque est fausse, comme le montre xnx^n sur [0,1[[0, 1[, dont la borne supérieure vaut 11 pour tout nn.

Comment montrer qu'une suite de fonctions converge uniformément ?

On identifie d'abord la limite simple ff, puis on majore ∣fn(x)−f(x)∣|f_n(x) - f(x)| par une quantité αn\alpha_n qui ne dépend pas de xx et tend vers 00, ou l'on calcule la borne supérieure de ∣fn−f∣|f_n - f| par une étude de fonction. Si cela échoue sur l'intervalle entier, on cherche la convergence uniforme sur tout segment ou sur tout [a,+∞[[a, +\infty[, ce qui suffit pour la continuité et la dérivation.

Comment montrer qu'il n'y a pas convergence uniforme ?

On trouve une suite de points xnx_n telle que ∣fn(xn)−f(xn)∣|f_n(x_n) - f(x_n)| ne tend pas vers 00, souvent le point où la bosse de fnf_n est la plus haute. Ou l'on remarque que la limite simple de fonctions continues est discontinue : une limite uniforme serait continue. Par exemple, nxe−nxnxe^{-nx} vaut 1e\frac1e en 1n\frac1n : la convergence vers 00 n'est pas uniforme sur R+\mathbb{R}_+.

Qu'est-ce que la convergence normale d'une série de fonctions ?

La série ∑un\sum u_n converge normalement sur AA si la série numérique ∑sup⁡x∈A∣un(x)∣\sum\sup_{x \in A}|u_n(x)| converge, ou s'il existe αn\alpha_n indépendant de xx avec ∣un(x)∣≤αn|u_n(x)| \leq \alpha_n et ∑αn\sum\alpha_n convergente. Elle entraîne la convergence uniforme et la convergence absolue en tout point. Une série peut converger uniformément sans converger normalement : c'est souvent le cas des séries alternées, dont on majore alors le reste.

Peut-on intégrer terme à terme une série de fonctions ?

Sur un segment [a,b][a, b], oui, si les fonctions sont continues et si la série converge uniformément sur ce segment : ∫ab∑un=∑∫abun\int_a^b\sum u_n = \sum\int_a^bu_n. Sur un intervalle qui n'est pas un segment, la convergence uniforme ne suffit pas ; on utilise le théorème d'intégration terme à terme sur un intervalle quelconque, vu avec les intégrales dépendant d'un paramètre.

Qu'est-ce que le théorème de Weierstrass ?

Toute fonction continue sur un segment, à valeurs réelles ou complexes, est limite uniforme d'une suite de polynômes. Il est au programme de MP et de MPI, sans démonstration exigible, et n'est pas au programme de PC et de PSI. Il ne vaut que sur un segment : 1x\frac1x n'est pas limite uniforme de polynômes sur ]0,1]]0, 1], car elle n'est pas bornée.

Comment y accéder

Ce chapitre fait partie de l'accès complet. Les trois premiers chapitres de chaque matière (deux par bloc en économie et droit, en management et gestion) sont offerts avec un compte d'essai gratuit. Créer un compte d'essai ou se connecter. Pour l'accès complet et les tarifs, vois les offres.

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