La notation ∣∣ désigne la valeur absolue d'un nombre réel ou le module d'un nombre complexe. ▶Seˊries de fonctions ⧫La convergence simple et la convergence uniforme Soit n=0∑+∞fn une série de fonctions définies sur un sous-ensembles de A de R ou C, à valeurs réelles ou complexes. La fonction fn porte le nom de terme général de la série. On désigne par (Sn)n∈N la suite des sommes partielles de cette série. On pose Sn=k=0∑nfk. ∢Deˊfinition On dit que la série de fonctions n=0∑+∞fn est : − simplement convergente sur A si la suite de fonctions (Sn)n∈N est simplement convergente sur A ; − uniformément convergente sur A si la suite de fonctions (Sn)n∈N est uniformément convergente sur A ; − localement uniformément convergente si la suite de fonctions (Sn)n∈N est localement uniformément convergente. La limite de la suite de fonctions (Sn)n∈N s'appelle la somme de la série n=0∑+∞fn. ∢Deˊfinition On appelle reste d'ordre n de la série de fonctions simplement convergente n=0∑+∞fn, la fonction k=n+1∑+∞fk. On a les cinq théorèmes suivants : ■ Soit n=0∑+∞fn une série de fonctions, définies sur un sous ensemble A de R ou C, à valeurs réelles ou complexes. On suppose que la série n=0∑+∞fn converge simplement sur I vers une fonction f définie sur A et à valeurs réelles ou complexes. Pour que la série n=0∑+∞fn converge uniformément vers f sur A, il faut, et il suffit, que la suite des restes converge uniformément vers 0 sur A. ■■ Soit n=0∑+∞fn une série de fonctions, définies sur un sous ensemble A de R ou C, à valeurs réelles ou complexes. Si la série de fonctions n=0∑+∞fn converge localement uniformément sur A alors la somme de cette série est continue sur A. ■■■ Soit n=0∑+∞fn une série de fonctions, définies sur un intervalle ouvert I de R, à valeurs réelles ou complexes. On suppose que : − toutes les fonctions fn sont dérivables sur I ; − la série de fonctions de terme général fn converge simplement sur I ; − la série de fonctions de terme général fn′ converge uniformément sur I. Dans ce cas la somme n=0∑+∞fn est une fonction dérivable et sa dérivée est n=0∑+∞fn′. La série n=0∑+∞fn converge uniformément sur toute partie bornée de I. ■■■■ Soit (fn)n∈N une suite de fonctions, définies sur un intervalle [a;b] de R, à valeurs réelles ou complexes. On suppose que les fonctions fn sont continues sur l'intervalle [a;b] et que la série de fonctions n=0∑+∞fn est uniformément convergente sur intervalle [a;b]. Dans ce cas, on a : n=0∑+∞∫abfn(x)dx=∫ab(n=0∑+∞fn(x))dx ■■■■■ Soit (fn)n∈N une suite de fonctions, définies sur un intervalle I de R, à valeurs réelles ou complexes. Les fonctions fn sont continues par morceaux et intégrables sur l'intervalle I. On suppose que la série de fonctions n=0∑+∞fn est uniformément convergente sur intervalle I vers une fonction f continue par morceaux sur I, à valeurs réelles ou complexes. On suppose que la série de nombres réels positifs n=0∑+∞∫I∣fn(x)∣dx converge. Dans ce cas, f est intégrable sur I, et on a : ∫If(x)dx=n=0∑+∞(∫Ifn(x)dx) ⧫La convergence normale Soit A un sous ensemble de R ou C. Soit (fn)n∈N une suite de fonctions, définies et bornées sur A, à valeurs réelles ou complexes. On pose : ∣∣fn∣∣∞=x∈Asup∣fn(x)∣ ∢Deˊfinition On dit que la série n=0∑+∞fn converge normalement sur A si la série de nombres réels positifs n=0∑+∞∣∣fn∣∣∞ est convergente. On a le théorème (criteˋre de Weierstrass) suivant : La série de fonctions n=0∑+∞fn converge normalement sur A si et seulement s'il existe une suite de nombres réels positifs (an)n∈N telle que : − pour tout nombres entiers naturels n, ∣∣fn∣∣∞⩽an ; − la série n=0∑+∞an 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) suivant : Soit (an)n∈N une suite de fonctions positives décroissantes qui converge uniformément vers 0. Soit (bn)n∈N une suite de fonctions telle que : ∀n∈N,∃M∈R,∀x∈I,∣∣k=0∑nbk(x)∣∣⩽M Ce qui signifie que la suite de sommes partielles de (bn)n∈N est bornée et les bornes sont indépendantes de n. Dans ce cas la série n=0∑+∞(an(x)bn(x)) converge uniformément sur I. La série de fonctions n=0∑+∞fn converge normalement sur A si et seulement s'il existe une suite de nombres réels positifs (an)n∈N telle que : − pour tout nombres entiers naturels n, ∣∣fn∣∣∞⩽an ; − la série n=0∑+∞an converge. Il est ESSENTIEL de conservé à l'esprit les deux résultats qui suivent : Theˊoreˋmes importants : ▼ Si la série de fonctions n=0∑+∞fn converge normalement sur A alors elle converge uniformément sur A. ▼▼ En outre, toute série de fonctions qui converge uniformément sur A est simplement convergente sur A.
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