Solution
Exercice1
i) Il est demandé de montrer une inclusion, ce qui est toujours plus facile
qu’une égalité, ne serait-ce que parcequ’une égalité est une double inclusion.
Rappelons que le support d’une fonction est le complémentaire du plus grand
ouvert où cette fonction est nulle. Si x/∈[−2n, 2n],ona|x
n|>2;par
conséquent ρn(x)=ρ¡x
n¢=0.Ainsi, ρnest nulle dans l’ouvert
]−∞,2n[∪]2n, +∞[ce qui implique par définition que supp(ρn)⊂
[−2n, 2n].
ii) Nous disposons de deux moyens pour vérifier qu’une fonction hest
intégrable : ou bien on montre que R+∞
−∞ |h|<+∞, oubienonmajore |h|
par une fonction qui est intégrable. Dans notre situation, on a
|fn(x)|=|ρn(x)f(x)|≤|f(x)|, d’où le résultat demandé puisque fest
intégrable .
iii) Dans cette question, il s’agit de montrer qu’une suite d’intégrales
converge vers une intégrale. Dans pratiquement tout les cas, c’est le théorème de
convergence dominée de Lebesgue qui permet de résoudre ce genre de problème.
Vérifions donc les hypothèses du théorème de Lebesgue. D’après ce qui précède
les fnsont intégrables et |fn|≤f,∀n≥1,avecfintégrable , Il reste
àmontrerque fn(x)−→ f(x)pour tout x∈R.Eneffet, soit x∈Ret
p∈Ntel que |x|≤p. Pour tout n≥pon a ρn(x)=1,( car |x|≤n)
et par suite fn(x)=f(x)pour tout n≥p.Autrementdit, xétant
fixé, il existe p∈Ntel que |fn(x)−f(x)|=0 pour tout n≥p.C’està
dire que fn(x)−→ f(x)pour tout x∈R. Le théorème de Lebesgue permet
alors d’affirmer que RRfn(x)dx −→ RRf(x)dx lorsque n−→ ∞ .
Exercice 2
i) Les quantités à calculer sont les coéficients de la fonction f(x)=x
sur la base hilbertienne donnée. les calculs sont élémentaires :
Dx, 1
√2πE=R+π
−π
x
√2πdx =0
Dx, sin nx
√πE=R+π
−π
xsin nx
√πdx =1
√π¡−xcos nx
n¢]+π
−π+1
n√πR+π
−πcos nxdx
=1
n√π¡−xcos nx
n¢]+π
−π=(−1)n+1 2√π
n.
Dx, cos nx
√πE=R+π
−π
xcos nx
√πdx =1
√π¡xsin nx
n¢]+π
−π+1
n√πR+π
−πsin nxdx =0
ii) Comme la fonction f(x)=xest dans L2(I), elle s’ecrit dans la
base hilbertienne S,x=∞
X
n=0
hx, ϕniϕn,avecϕn∈S. D’après i) , tous les
produits hx, ϕnisont nuls sauf ceux en sin .Onobtient
x=∞
X
n=1
(−1)n+1 2√π
n
sin nx
√π=2 ∞
X
n=1
(−1)n+1 sin nx
n. Ces’égalités étant au
sens de L2(I),celasignifiequelasérie 2∞
X
n=1
(−1)n+1 sin nx
nconverge dans
3