Nouveau

🔥 Découvre nos fiches d'exercices gratuites avec corrections en vidéo !Accéder aux fiches  

Tchat avec un prof

🤔 Bloqué sur un exercice ou une notion de cours ? Échange avec un prof sur le tchat !Découvrir  

Séries de fonctions

La notation | \, \, | désigne la valeur absolue d'un nombre réel ou le module d'un nombre complexe.
Seˊries de fonctions{\color{red}{\blacktriangleright \,\, \textbf{Séries de fonctions}}}
La convergence simple et la convergence uniforme{\color{blue}{\blacklozenge \,\, \textbf{La convergence simple et la convergence uniforme}}}
Soit n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n une série de fonctions définies sur un sous-ensembles de AA de R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, à valeurs réelles ou complexes.
La fonction fnf_n porte le nom de terme général de la série.
On désigne par (Sn)nN(S_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite des sommes partielles de cette série. On pose Sn=k=0nfkS_n = \sum_{k=0}^{n} f_k.
Deˊfinition{\color{green}{\sphericalangle \,\, \textbf{Définition}}}
On dit que la série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n est :
- \,\, simplement convergente sur AA si la suite de fonctions (Sn)nN(S_n)_{n \in \mathbb{N}} est simplement convergente sur AA ;
- \,\, uniformément convergente sur AA si la suite de fonctions (Sn)nN(S_n)_{n \in \mathbb{N}} est uniformément convergente sur AA ;
- \,\, localement uniformément convergente si la suite de fonctions (Sn)nN(S_n)_{n \in \mathbb{N}} est localement uniformément convergente.
La limite de la suite de fonctions (Sn)nN(S_n)_{n \in \mathbb{N}} s'appelle la somme de la série n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n.
Deˊfinition{\color{green}{\sphericalangle \,\, \textbf{Définition}}}
On appelle reste d'ordre nn de la série de fonctions simplement convergente n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n, la fonction k=n+1+fk\sum_{k=n+1}^{+\infty} f_k.
On a les cinq théorèmes suivants :
\blacksquare \,\, Soit n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n une série de fonctions, définies sur un sous ensemble AA de R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, à valeurs réelles ou complexes.
On suppose que la série n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge simplement sur II vers une fonction ff définie sur AA et à valeurs réelles ou complexes.
Pour que la série n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge uniformément vers ff sur AA, il faut, et il suffit, que la suite des restes converge uniformément vers 00 sur AA.
\blacksquare \blacksquare \,\, Soit n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n une série de fonctions, définies sur un sous ensemble AA de R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}, à valeurs réelles ou complexes.
Si la série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge localement uniformément sur AA alors la somme de cette série est continue sur AA.
\blacksquare \blacksquare \blacksquare \,\, Soit n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n une série de fonctions, définies sur un intervalle ouvert II de R\mathbb{R}, à valeurs réelles ou complexes.
On suppose que :
- \,\, toutes les fonctions fnf_n sont dérivables sur II ;
- \,\, la série de fonctions de terme général fnf_n converge simplement sur II ;
- \,\, la série de fonctions de terme général fnf'_n converge uniformément sur II.
Dans ce cas la somme n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n est une fonction dérivable et sa dérivée est n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f'_n. La série n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge uniformément sur toute partie bornée de II.
\blacksquare \blacksquare \blacksquare \blacksquare \,\, Soit (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions, définies sur un intervalle [a;b][a\,;\,b] de R\mathbb{R}, à valeurs réelles ou complexes.
On suppose que les fonctions fnf_n sont continues sur l'intervalle [a;b][a\,;\,b] et que la série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n est uniformément convergente sur intervalle [a;b][a\,;\,b]. Dans ce cas, on a :
n=0+abfn(x)dx=ab(n=0+fn(x))dx\sum_{n=0}^{+\infty} \int_a^b f_n(x) \, dx = \int_a^b \left( \sum_{n=0}^{+\infty} f_n(x) \right) \, dx
\blacksquare \blacksquare \blacksquare \blacksquare \blacksquare \,\, Soit (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions, définies sur un intervalle II de R\mathbb{R}, à valeurs réelles ou complexes.
Les fonctions fnf_n sont continues par morceaux et intégrables sur l'intervalle II.
On suppose que la série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n est uniformément convergente sur intervalle II vers une fonction ff continue par morceaux sur II, à valeurs réelles ou complexes.
On suppose que la série de nombres réels positifs n=0+Ifn(x)dx\sum_{n=0}^{+\infty} \int_I | \, f_n(x) \, | \, dx converge.
Dans ce cas, ff est intégrable sur II, et on a :
If(x)dx=n=0+(Ifn(x)dx)\int_I f(x) \, dx = \sum_{n=0}^{+\infty} \left( \int_I f_n(x) \, dx \right)
La convergence normale{\color{blue}{\blacklozenge \,\, \textbf{La convergence normale}}}
Soit AA un sous ensemble de R\mathbb{R} ou C\mathbb{C}.
Soit (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions, définies et bornées sur AA, à valeurs réelles ou complexes.
On pose :
fn=supxAfn(x)|| \, f_n \, ||_\infty = \underset{x \in A}{\sup} | \, f_n(x) \,|
Deˊfinition{\color{green}{\sphericalangle \,\, \textbf{Définition}}}
On dit que la série n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge normalement sur AA si la série de nombres réels positifs n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} || \, f_n \, ||_\infty est convergente.
On a le théorème (criteˋre de Weierstrass)({\color{red}{\textbf{critère de Weierstrass}}}) suivant :
La série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge normalement sur AA si et seulement s'il existe une suite de nombres réels positifs (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} telle que :
- \,\, pour tout nombres entiers naturels nn, fnan|| \, f_n \, ||_\infty \leqslant a_n ;
- \,\, la série n=0+an\sum_{n=0}^{+\infty} a_n converge.
Le critère de Weierstrass est un critère de convergence normale. Pour les séries qui ne convergent pas absolument, on a le critère d’Abel suivant :
On a le théorème (criteˋre d’Abel)({\color{red}{\textbf{critère d'Abel}}}) suivant :
Soit (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions positives décroissantes qui converge uniformément
vers 00. Soit (bn)nN(b_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de fonctions telle que :
nN,MR,xI,k=0nbk(x)M\forall n \in \mathbb{N}, \,\, \exists M \in \mathbb{R}, \,\, \forall x \in I, \,\, \left\vert \sum_{k=0}^{n} b_k(x) \right\vert \leqslant M
Ce qui signifie que la suite de sommes partielles de (bn)nN(b_n)_{n \in \mathbb{N}} est bornée et les bornes sont indépendantes de nn.
Dans ce cas la série n=0+(an(x)bn(x))\sum_{n=0}^{+\infty} \left(a_n(x) \, b_n(x) \right) converge uniformément sur II.
La série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge normalement sur AA si et seulement s'il existe une suite de nombres réels positifs (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} telle que :
- \,\, pour tout nombres entiers naturels nn, fnan|| \, f_n \, ||_\infty \leqslant a_n ;
- \,\, la série n=0+an\sum_{n=0}^{+\infty} a_n converge.
Il est ESSENTIEL de conservé à l'esprit les deux résultats qui suivent :
Theˊoreˋmes importants{\color{red}{\textbf{Théorèmes importants}}} :
{\color{red}{\blacktriangledown \,}} Si la série de fonctions n=0+fn\sum_{n=0}^{+\infty} f_n converge normalement sur AA alors elle converge uniformément sur AA.
{\color{red}{\blacktriangledown \, \blacktriangledown \,}} En outre, toute série de fonctions qui converge uniformément sur AA est simplement convergente sur AA.

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.