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.
- 20méthodes
- 34exercices corrigés
- 6problèmes
- 20pièges
- 36figures
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 : converge sur 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 , 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 : , . 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 :
- étudier la convergence simple d'une suite ou d'une série de fonctions, puis sa convergence uniforme ;
- prouver une convergence uniforme par une majoration indépendante de la variable, ou la réfuter ;
- prouver la convergence normale d'une série de fonctions, ou sa convergence uniforme sans elle par le reste ;
- justifier la continuité, une limite en une borne, l'intégration sur un segment et la dérivation d'une limite ou d'une somme, en vérifiant les hypothèses sur les bons ensembles ;
- étudier une fonction définie par une série : domaine, régularité, limites, équivalents.
L’essentiel du chapitre Extrait gratuit
- Simple sur : pour tout , ; le rang dépend de .
- Uniforme sur : ; un même rang pour tous les . Pour des fonctions bornées, c'est la convergence pour .
- Uniforme entraîne simple ; la réciproque est fausse ( sur ).
- Série : simple, uniforme par les sommes partielles ; uniforme si et seulement si (une fois la convergence simple acquise).
- Normale sur : converge, ou pour tout avec convergente.
- Normale entraîne uniforme et absolue en tout point ; les réciproques sont fausses.
- Si converge uniformément, converge uniformément vers .
| On veut | Hypothèse de convergence | Où la vérifier |
|---|---|---|
| ou continue sur | uniforme | sur tout segment de , ou sur des intervalles tels que chaque point de ait un voisinage dans contenu dans l'un d'eux |
| limite de en une borne | uniforme | sur un intervalle de bord |
| , ou | uniforme, fonctions continues | sur le segment |
| ou de classe | simple de , uniforme de | sur tout segment de |
| classe | simple jusqu'à l'ordre , uniforme à l'ordre | sur tout segment de |
Si converge uniformément sur et si quand tend vers une borne de , alors converge et . Démonstration non demandée.
Si, pour tout , vérifie le critère spécial, ; la série converge uniformément dès que . Exemple : converge uniformément sur sans converger normalement.
- sur : limite simple discontinue ; uniforme sur tout , , pas sur .
- sur : ; uniforme sur , pas sur .
- sur : limite simple nulle, intégrale .
- uniformément sur , limite non dérivable en .
- sur : absolue en tout point, somme discontinue en , pas uniforme.
Une méthode du chapitre Extrait gratuit
Le calcul exact de la borne supérieure est pénible, mais une inégalité classique majore .
S'il existe une suite , sans , telle que pour tout et , alors la convergence est uniforme sur .
- Écrire sous une forme commode (quantité conjuguée, inégalité des accroissements finis, inégalité de convexité, développement).
- Majorer sa valeur absolue par une quantité qui ne dépend que de , en utilisant que reste dans .
- Vérifier que cette quantité tend vers .
Pour tout , , où ne dépend pas de . Comme , : la convergence est uniforme sur .
Soit sur , . Pour , (étude des différences, deux dérivations). Avec et en multipliant par ,
pour tout . La suite converge uniformément vers sur . Sur entier, le même majorant n'est pas borné : il faut alors une autre étude.
- Garder dans le majorant (« , qui tend vers ») sans le borner sur .
- Majorer une quantité négative en oubliant la valeur absolue.
- Utiliser une inégalité vraie seulement pour petit sur tout l'intervalle.
Exercices 5 et 9.
Un exercice corrigé Extrait gratuit
On considère la suite de fonctions définies sur par
- Montrer que la série de fonctions converge uniformément sur . On note sa somme.
- Justifier que est continue sur .
- Montrer que est de classe sur et donner une expression simple de à l'aide de fonctions usuelles.
- En admettant que , donner une expression simple de .
- (Question ajoutée.) La série converge-t-elle normalement sur ?
Méthodes 8 et 13. Pour 1, le critère spécial des séries alternées à fixé, avec la majoration du reste. Pour 3, les dérivées forment une série géométrique, normalement convergente sur .
La norme de sur vaut (en ) : pas de convergence normale. Le signe alterné est la seule ressource : le reste se majore par son premier terme, majorant qu'on rend indépendant de .
1. Fixons . La suite est positive, décroissante (produit de deux suites positives décroissantes) et tend vers . Par le critère spécial des séries alternées, converge et son reste vérifie
Le majorant ne dépend pas de et tend vers : , la série converge uniformément sur .
2. Les sont continues sur et la série y converge uniformément : est continue sur .
3. Les sont de classe , de dérivées . La série converge simplement (question 1). Soit : pour , , terme d'une série géométrique convergente ; converge normalement, donc uniformément, sur . Tout segment de est contenu dans un tel intervalle. Par le théorème de dérivation terme à terme, est de classe sur et, pour (série géométrique de raison ),
4. La fonction a pour dérivée sur . Donc est constante sur l'intervalle ; et sont continues en , donc la constante vaut . Ainsi pour tout .
5. , atteint en , et diverge : la convergence n'est pas normale sur .
Pour une série alternée de fonctions, on majore le reste par le premier terme négligé, puis on rend ce majorant indépendant de . C'est le cas type de convergence uniforme sans convergence normale. Voir les méthodes 8 et 13.
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.
Ouvrir l'essai gratuitVoir les offresPlan du cours
- 1. Convergence simple et convergence uniforme
- 1.1 Convergence simple
- 1.2 Convergence uniforme
- 1.3 Convergence uniforme sur des parties
- 2. Régularité de la limite d'une suite de fonctions
- 2.1 Continuité
- 2.2 Intégration sur un segment
- 2.3 Dérivation
- 2.4 Double limite pour une suite
- 3. Séries de fonctions : modes de convergence
- 3.1 Convergence simple et convergence uniforme
- 3.2 Convergence normale
- 3.3 Séries alternées de fonctions
- 4. Régularité de la somme d'une série de fonctions
- 4.1 Continuité
- 4.2 Double limite : intervertir une limite et une somme
- 4.3 Intégration terme à terme sur un segment
- 4.4 Dérivation terme à terme
- 5. Étude d'une fonction définie par une série
- 6. Approximation uniforme
- 6.1 Approximation par des fonctions en escalier
- 6.2 Le théorème de Weierstrass
- 7. Applications dans une algèbre normée de dimension finie
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.
- Organiser l'étude d'une suite ou d'une série de fonctions
- Étudier la convergence simple
- Prouver la convergence uniforme par le calcul de
- Prouver la convergence uniforme par une majoration indépendante de
- Prouver l'absence de convergence uniforme
- Se restreindre : convergence uniforme sur tout segment, sur , au voisinage d'un point
- Prouver la convergence normale d'une série de fonctions
- Prouver la convergence uniforme d'une série sans convergence normale : majorer le reste
- Prouver qu'une série ne converge pas normalement, ou pas uniformément
- Montrer la continuité d'une limite ou d'une somme
- Trouver la limite d'une somme en une borne : double limite ou encadrement
- Intégrer sur un segment une limite uniforme ou une série terme à terme
- Montrer qu'une limite ou une somme est de classe
- Montrer qu'une somme est de classe ou
- Trouver un équivalent d'une somme en une borne
- Exploiter une relation fonctionnelle ou la monotonie d'une somme
- Étudier une suite de fonctions définie par récurrence
- Approcher uniformément une fonction par des fonctions en escalier ou affines par morceaux
- Utiliser le théorème de Weierstrass, et en connaître les limites
- Dériver , 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)
- Convergence simple, puis uniforme
- Calculer une norme uniforme
- Le critère séquentiel
- Une bosse en
- Limite d'une intégrale sur un segment
- La série géométrique, série de fonctions
- Convergence normale sur des parties
- Limite uniforme, dérivées divergentes
- Une limite classique, uniformément sur tout segment
- Une suite à étudier sur trois intervalles
- Double limite pour une suite, continuité en un point
- Approcher par des fonctions en escalier
- Moments nuls
- Exponentielle d'une matrice triangulaire
Entraînement (15)
- Uniforme sans être normale
- Le terme général d'une série uniformément convergente
- Une somme et la constante d'Euler
- Étude complète d'une somme
- Une somme alternée et sa relation fonctionnelle
- Une suite d'intégrales qui ne suit pas la limite
- Une série de fonctions définie par récurrence
- Un équivalent par le terme dominant
- Modes de convergence et somme explicite
- Une intégrale calculée par une série alternée
- Une somme croissante
- Primitives et convergence uniforme
- Limite uniforme de polynômes sur
- Le lemme de Riemann-Lebesgue sur un segment
- Dériver un inverse par une série
Approfondissement (5)
- Un équivalent par comparaison à une intégrale
- Une limite qui n'est pas celle des termes
- Uniforme sur sans être normale
- Des polynômes qui approchent
- Polynômes à coefficients entiers
Les problèmes de concours
Des extraits de sujets réels, corrigés en entier, avec la durée conseillée et les méthodes mobilisées.
- La fonction zêta et la fonction zêta alternée
- Une fonction définie par une série et son équation différentielle
- Des polynômes qui approchent la valeur absolue
- Une suite de bosses
- Polynômes de Bernstein et théorème de Weierstrass
- Séries de Lambert
Sujets de concours sur ce chapitre
5 sujets à télécharger gratuitement en PDF, sans corrigé. Tous les sujets de concours.
- e3a-Polytech 2026 PSI, Mathématiques
- e3a-Polytech 2025 PSI, Mathématiques
- e3a-Polytech 2023 PSI, Mathématiques
- e3a-Polytech 2022 PC, Mathématiques
- e3a-Polytech 2020 PSI, Mathématiques
Questions fréquentes
Quelle différence entre convergence simple et convergence uniforme ?
La suite converge simplement vers si pour chaque : le rang à partir duquel l'écart est petit peut dépendre de . Elle converge uniformément si : un même rang convient pour tous les . La convergence uniforme entraîne la convergence simple ; la réciproque est fausse, comme le montre sur , dont la borne supérieure vaut pour tout .
Comment montrer qu'une suite de fonctions converge uniformément ?
On identifie d'abord la limite simple , puis on majore par une quantité qui ne dépend pas de et tend vers , ou l'on calcule la borne supérieure de par une étude de fonction. Si cela échoue sur l'intervalle entier, on cherche la convergence uniforme sur tout segment ou sur tout , 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 telle que ne tend pas vers , souvent le point où la bosse de est la plus haute. Ou l'on remarque que la limite simple de fonctions continues est discontinue : une limite uniforme serait continue. Par exemple, vaut en : la convergence vers n'est pas uniforme sur .
Qu'est-ce que la convergence normale d'une série de fonctions ?
La série converge normalement sur si la série numérique converge, ou s'il existe indépendant de avec et 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 , oui, si les fonctions sont continues et si la série converge uniformément sur ce segment : . 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 : n'est pas limite uniforme de polynômes sur , 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.