MP 933 &934 Devoir Surveillé no4 novembre 
Les trois problèmes sont complètement indépendants.
Le lecteur est invité à commencer par survoler l’ensemble des trois problèmes avant de commencer.
1 Étude d’une série de fonctions
CCP MP 1999 Maths 1
On étudie des propriétés de la série de fonctions de la variable réelle dont le terme général est, kétant un entier
naturel supérieur ou égal à 1:
uk:x7−1
(k+x)3/2+ (k+x)1/2.
Quand elle existe, on note la somme de cette série par
U(x) =
X
k=1
uk(x).
Dans cette partie (la première sur les quatre qui constituaient le problème original), on étudie des propriétés liées à
la régularité de U, notamment son comportement aux bornes de son intervalle de définition, ainsi que son intégrabilité.
1. Montrer que le domaine de définition de Uest ]1 ; +[. Dans la suite, on note Icet intervalle.
2. a) Montrer que l’application x7→
P
k=2
uk(x)est définie et de classe C1sur [1 ; +[.
b) En déduire que :
Uest de classe C1sur I;
il existe deux réels λet µtels qu’au voisinage de 1, on ait
U(x)
x→−1
λ
(x+ 1)µ.
3. a) Montrer que Uest intégrable sur l’intervalle ]1 ; 0 ].
b) Pour 1< a < b et kentier naturel non nul, calculer R[a;b]uk. On pourra poser t=x+kpour x[a;b].
c) Calculer R]1 ; 0 ] U.
4. On étudie Uau voisinage de +.
a) Trouver lim
+U.
b) Pour xIfixé, justifier l’intégrabilité sur [ 1 ; +[de l’application
t7−1
(t+x)3/2+ (t+x)1/2.
c) Trouver, à l’aide de Z+
1
dt
(t+x)3/2+ (t+x)1/2, un développement au voisinage de +de la forme
U(x) = δ
xν+ O 1
xν+1 .
d) Uest-elle intégrable sur [ 0 ; +[?
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2 Étude d’une équation fonctionnelle
et application à la fonction Γd’Euler
Ce problème a pour objectif l’étude des fonctions f: ] 0 ; +[Rvérifiant les relations :
()(x > 0f(x+ 1) f(x) = ϕ(x)
f(1) = λ
λest un réel donné et ϕ: ] 0 ; +[Rest une fonction donnée.
I Une équation fonctionnelle
On suppose dans cette partie que ϕest décroissante sur ] 0 ; +[et que lim
x+ϕ(x) = 0
I.1. On pose pour tous nNet pN:un(p) = ϕ(n)ϕ(n+p).
a) Pour tout entier N> p, calculer N
P
n=1
un(p)en fonction des nombres un(N).
b) En déduire, pour tout pN, la convergence et la somme de la série P
n>1
un(p).
I.2. On pose, pour tous nNet xR+:un(x) = ϕ(n)ϕ(n+x).
a) Montrer que la série P
n>1
un(x)converge pour tout xR+.
Indication : Après avoir fixé un réel x, on pourra choisir un entier qui lui est supérieur.
b) Montrer que la série de fonctions P
n>1
unconverge uniformément sur tout segment de R+.
I.3. On pose pour tout x > 0:f0(x) = λϕ(x) +
+
P
n=1 ϕ(n)ϕ(n+x). Montrer que la fonction f0est croissante et vérifie
les relations ().
I.4. Soit fune fonction croissante sur ] 0 ; +[vérifiant les relations (). On pose g=ff0.
a) Montrer qu’il existe T>0tel que g(x) = g(x+ T) pour tout x > 0.
b) Montrer que pour tout nNet pour tout x] 0 ; 1 ], on a : g(x)6ϕ(n).
c) En déduire que f0est l’unique fonction croissante et vérifiant les relations ().
I.5. On suppose dans cette question que ϕest continue sur ] 0 ; +[.
a) Montrer que f0est continue sur ] 0 ; +[.
b) Montrer que f0+ϕest prolongeable par continuité en 0.
II Dérivation
On suppose dans cette partie que ϕest de classe C1sur ] 0 ; +[, que ϕest décroissante sur ] 0 ; +[et que
lim
x+ϕ(x) = 0.
II.1. Soit µun réel donné. Montrer qu’il existe une unique fonction gµ, définie et croissante sur ] 0 ; +[, et vérifiant les
relations :
(∗∗)(x > 0gµ(x+ 1) gµ(x) = ϕ(x)
gµ(1) = µ
II.2. On pose pour tout x>0:h(x) =
+
P
n=1 ϕ(n)ϕ(n+x).
Montrer que la fonction x7→ ϕ(x+ 1) Rx+1
xh(t) dtest définie et constante sur [ 0 ; +[.
II.3. Montrer qu’il existe une unique valeur µ0de µet une unique primitive Gµ0de gµ0sur ] 0 ; +[telles que Gµ0vérifie
les relations ().
II.4. En déduire qu’il existe une unique fonction f1, dérivable sur ] 0 ; +[, vérifiant les relations ()et telle que f
1soit
croissante sur ] 0 ; +[.
Donner, pour tout x > 0, une expression de f1(x)à l’aide de λ,x,ϕ(1),ϕ(x),R1
0h(t) dtet Rx
0h(t) dt.
II.5. Montrer, pour tout x > 0, les formules suivantes :
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f
1(x) = ϕ(1) ϕ(x) +
+
X
n=1 ϕ(n+ 1) ϕ(n)ϕ(n+x)
f1(x) = λ+x ϕ(1) ϕ(x) +
+
X
n=1 ϕ(n)ϕ(n+x) + x ϕ(n+ 1) x ϕ(n).
III Un exemple : la fonction Γd’Euler
III.1. Montrer que la série numérique X
n>11
nln 1 + 1
nconverge. On notera γsa somme.
III.2. Montrer qu’il existe une unique fonction Γ : ] 0 ; +[] 0 ; +[, dérivable sur ] 0 ; +[et vérifiant les relations :
(∗ ∗ ∗)
x > 0 Γ(x+ 1) = xΓ(x)
Γ(1) = 1 Γ
Γest croissante sur ] 0 ; +[.
III.3. Établir les relations suivantes, valables pour tout x > 0:
ln Γ(x) = ln(x)γx
+
X
n=1
ln hex/n 1 + x
ni,
1
Γ(x)=xeγx lim
N+
N
Y
n=1 1 + x
nex/n,Γ(x) = lim
N+NxN!
N
Y
n=0
(x+n)1.
3 Le premier théorème de Weierstrass
Ce court problème visant à démontrer le premier théorème de Weierstrass, il est bien entendu qu’on ne s’en servira
pas...
I Suites de Dirac
Une fonction f:RRest dite à support compact si et seulement si il existe un segment [a;b]en dehors duquel
la fonction fest nulle.
On appelle suite de Dirac toute suite (ϕn)n>0de fonctions continues sur Ret à valeurs réelles, vérifiant :
nNϕn>0
nNZ+
−∞
ϕn= 1
η > 0ZRr[η; +η]
ϕn
n→∞ 0.
I.1. On définit la suite (δn)n>1par :
nNδn(x) = (n+1
21− |x|nsi 16x61
0sinon.
Représenter schématiquement la suite (δn)n>1, et montrer que c’est une suite de Dirac.
I.2. Soit (ϕn)n>0une suite de Dirac. Soit f:RRune fonction continue à support compact. Montrer que
lim
n→∞ Z+
−∞
ϕn(x)f(x) dx=f(0).
Indication : On pourra commencer par le cas où f(0) = 0, et on epsilonisera avec soin.
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II Produit de convolution
Soit f:RRune fonction continue à support compact ; pour fixer les idées, on pourra supposer que fest nulle
en dehors d’un segment [a;a], avec a > 0.
Pour toute fonction g:RRcontinue, on définit le produit de convolution h=fgpar :
xRh(x) = Z+
−∞
f(t)g(xt) dt.
II.1. Si g:RRest une fonction continue, justifier l’existence de fget de gf, et montrer que fg=gf.
II.2. Soit (ϕn)n>0une suite de Dirac. Pour tout nN, on définit fn=fϕn. Montrer que la suite (fn)n>0converge
simplement vers f.
II.3. Justifier le fait que fest uniformément continue.
II.4. Montrer que la suite (fn)n>0converge uniformément vers f.
Indication : Pour xR, on remarquera que
f(x) = Z+
−∞
ϕn(t)f(x) dt.
Ensuite, on epsilonisera avec.... avec quoi ? avec soin !
III Démonstration du théorème de Weierstrass
III.1. Pour tout nN, on note an=R1
1(1 x2)ndxet on définit
ψn(x) = (a1
n(1 x2)nsi 16x61,
0sinon.
On ne cherchera pas à calculer an.
Représenter schématiquement la suite (ψn)n>1.
a) Soit η] 0 ; 1 ]. Montrer que, pour tout nN, on a
06ZRr[η; +η]
ψn(x) dx62(1 η)
an
(1 η2)n.
b) Déterminer une relation entre anet an1. En notant αn=2(1 η)(1 η2)n
an
, déterminer lim
n→∞
αn+1
αn
et en déduire
lim
n→∞ αn.
c) Montrer que (ψn)n>1est une suite de Dirac.
III.2. Soit fune fonction continue, à support inclus dans 1
2; + 1
2. On note, pour tout nN:fn=ψnf, où (ψn)n>0a
été définie dans la question III.1
En remarquant que :
x1
2; + 1
2fn(x) = 1
anZ+1/2
1/2
f(t)1(xt)2ndt,
montrer que la restriction de fnà1
2;1
2est une fonction polynomiale.
III.3. Soit h1
4; + 1
4:Rune fonction continue. Montrer qu’on peut la prolonger en une fonction continue sur R, à
support dans 1
2;1
2.
III.4. Soit [a;b]un segment de Ret soit g: [ a;b]Rune fonction continue. Montrer qu’il existe une suite (Pn)n>0de
fonctions polynomiales qui converge uniformément vers g.
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