CPGE MOHAMMEDIA 03 Mai 2017
CCP - Maths 1
Proposition de corrigé
T aouf iki said
EXERCICE 1
Q1. fest la composée d’une focntion polynomiale et de la fonction sinus donc elle de classe C
sur R2.gl’est aussi car ses composantes sont polynomiales. En particulier les deux fonctions
sont différentiables sur R2.
Pour les matrices Jacobiennes :
Jac f(x, y) = 2 cos(x2y2)(x, y), Jac g(x, y) = 1 1
11
Q2. Soient (x, y)R2et (u, v)R2.
1. On a : fg(x, y) = f(x+y, x y) = sin(4xy)donc
d(fg)(x, y).(u, v) = f g
x (x, y).u +f g
y (x, y).v = 4 cos(4xy)(uy +vx)
2. On a : Jac (fg)(x, y) = Jac f(a, b).Jac g(x, y)(a, b) = g(x, y)
donc Jac (fg)(x, y) = 4 cos(4xy)(y, x)puis
d(fg)(x, y).(u, v) = Jac (fg)(x, y).u
v= 4 cos(4xy)(uy +vx)
Q3. Pour tout pN,X
qN
1
p2q2converge de somme π
6p2
et la série X
pN
X
q=1
1
p2q2est convergente de somme π2
36
alors la famille (1
p2q2)(p,q)Aest sommable de somme π2
36 .
Q4. Pour tout (p, q)A , 01
(p+q)21
p2+q2, il suffit de montrer la non-sommabilité de
la famille (1
(p+q)2)(p,q)A:
Considérons la partition suivante de A:Jn={(p, q)A / p +q=n}, n 2.
Pour tout n2, card(Jn) = n1donc X
(p,q)Jn
1
(p+q)2=n1
n2
La divergence de la série X
n2
n1
n2entraîne la non-sommabilité de la famille (1
(p+q)2)(p,q)A,
d’où le résultat cherché.
1
PROBLÈME
Partie I - Exemples
Q5. • ∀nN,xR,|1
2ncos(nx) + 1
3nsin(nx)| ≤ 1
2n+1
3n1
2n1
comme X1
2nest convergente alors notre série trigonométrique est normalement convergente
sur R.
•• La série géométrique Xeix
pn
est convergente car |eix
p|=1
p<1, sa somme est p
peix
••• On a :
X
n=0
cos nx
2n=Re(
X
n=0 eix
2n
) = Re(2
2eix ) = 42 cos x
54 cos x
et
X
n=0
sin nx
3n=Im(
X
n=0 eix
3n
) = Im(3
3eix ) = 3 sin x
10 6 cos x
d’où
X
n=0 cos nx
2n+sin nx
3n=42 cos x
54 cos x+3 sin x
10 6 cos x.
Q 6. On rappelle que zC, ez=
X
n=0
zn
n!
On a donc xR,exp(eix) =
X
n=0
einx
n!
Par la formule de Moivre , on a
einx = cos(nx) + isin(ix). Puisque les deux séries X
n0
cos(nx)
n!,X
n0
sin(nx)
n!sont absolument
convergente ( car
cos(nx)
n!
=o1
n2,
cos(nx)
n!
=o1
n2)
alors xR,exp(eix) =
X
n=0
cos(nx)
n!+i
X
n=0
sin(nx)
n!
D’autre part : exp(eix) = exp(cos x) exp(isin x) = exp(cos x)(cos(sin x) + isin(sin x)
Par identification , exp(cos x) cos(sin x) =
X
n=0
cos(nx)
n!.
Q7. Pour nN,on pose an=1
n+1 . La suite (an)converge vers 0et la série Xancos nx ne
converge pas simplement sur R( pour x= 2kπ , k Z, la somme est infinie ).
Q8. Posons fn(x) = sin(nx)
n, n N, x R.
On a : sup
xR|fn(x)|=|fn(π
2n)|=1
net la série P1
ndiverge alors la série Pfnne converge
pas normalement sur R.
Partie II - Propriétés
2
Q9. La série P(|an|+|bn|)converge car Pan,Pbnsont absolument convergentes
et xR,nN,|ancos(nx) + sin(nx)bn|≤|an|+|bn|
donc la série P(ancos(nx) + sin(nx)bn)converge normalement sur R.
Q10. Posons f(x) = acos x+bsin x. Si a=b= 0 le résultat est trivial
sinon , on prend z=a+ib =re. On a : f(x) = Re(zeix) = Re(rei(x+θ)) = rcos(x+θ)
Pour tout xR,|f(x)| ≤ r=|f(θ)|donc sup
xR|f(x)|=r=pa2+b2.
Q11. De la même manière , on obtient sup
xR|ancos(nx) + bnsin(nx)|=pa2
n+b2
n
La convergence normale de la série trigonométrique est équivaut à la convergence de la série
numérique Ppa2
n+b2
n
Comme n , |an| ≤ pa2
n+b2
net |bn| ≤ pa2
n+b2
nalors les deux Séries Pan,Pbnconvergent
absolument puis les termes généraux ont la limite nulle.
Q12. Pour tout n , fn:x7→ ancos(nx) + bnsin(nx)est continue sur Ret Pfnconverge
uniformément sur Rcar ( converge normalement ) donc sa somme est continue sur R.
Aussi f(x+ 2π) =
X
n=0
fn(x+ 2π) =
X
n=0
fn(x) = f(x), d’où fC2π.
Q13. Pour nN. On a :
Rπ
πcos2(nx)dx =Rπ
π
cos(2nx)+1
2dx =hsin(2nx)
4n+x
2iπ
π=π.
Pour (n, k)N2tel que n6=k. On a :
Rπ
πsin(kx) cos(nx)dx =Rπ
π
sin((k+n)x)+sin(kn)x
2dx =hcos((k+n)x)
2(k+n)+cos((kn)x)
2(kn)iπ
π= 0.
Q14. On pose : fk(x) = akcos kx +bksin kx.
Soit nN. On a : αn(f) = 1
πRπ
πf(x) cos(nx)dx =1
πRπ
π
X
k=0
fk(x) cos(nx)dx
comme x[π, π],kN,|fk(x) cos nx|≤kfkket Pfkconverge normalement sur R
donc Pfk(x) cos nx converge normalement puis uniformément sur [π, π], ce qui permet l’in-
tervertion série-intégrale , soit αn(f) = 1
π
X
k=0 Zπ
π
fk(x) cos(nx)dx
pour k6=n , Rπ
πfk(x) cos(nx)dx =akRπ
πcos(kx) cos(nx)dx +bkRπ
πsin(kx) cos(nx)dx = 0
et Rπ
πfn(x) cos(nx)dx =anRπ
πcos2(nx)dx +bnRπ
πsin(nx) cos(nx)dx =π( car Q13. et
x7→ sin(nx) cos(nx)est impaire ) , d’où αn(f) = an.
α0(f) = 1
πRπ
πf(x)dx =1
πRπ
π
X
k=0
fk(x)dx =1
π
X
k=0 Zπ
π
fk(x)dx ( Convergence uniforme de
Pfksur [π, π])
Pour tout kN,Rπ
πsin(kx)dx = 0 ( La fonction est impaire )
et pour tout kN,Rπ
πcos(kx)dx = 0 ( pour k= 0 la valeur est 2π)
donc kN,Rπ
πfk(x)dx = 0 et Rπ
πf0(x)dx = 2πa0d’où α0(f)=2a0.
Q15 On pose a0=α0(f)
2, b0= 0 et pour nN, an=αn(f), bn=βn(f)
par hypothèse , la série X
nN
[ancos nx +bnsin nx]converge normalement sur R, de somme g
par Q14. ,α0(g)=2a0=α0(f)et pour nN, αn(g) = an=αn(f)et βn(g) = bn=βn(f).
Q16. D’après Q12. gC2π, on pose : h=fgC2π( car c’est un espace vectoriel ).
Par linéarité de l’intégrale et Q15. , on a nN, αn(h) = αn(f)αn(g) = 0 = βn(f)βn(g) =
βn(h)
3
Le résultat admis permet de conclure que : fg=h= 0 sur R.
Q17 La fonction x7→ f(x) sin(nx)est impaire , son intégrale sur un intervalle centré sera nulle
donc βn(f)=0pour tout nN.
La fonction x7→ f(x) cos(nx)est paire , donc Rπ
0f(x) cos(nx)dx =R0
πf(x) cos(nx)dx
puis αn(f)=2Rπ
0f(x) cos(nx)dx pour tout nN.
Q18
La fonction fest paire donc βn(f)=0pour tout nN.
α0(f) = 2
πRπ
0x2dx =2π2
3
Pour nN, α0(f) = 2
πRπ
0x2cos(nx)dx =4(1)n
n2( Intégration par parties deux fois ).
On pose : u0(x) = 2π2
3et pour n6= 0 , un(x) = 4(1)ncos(nx)
n2.
on a : X
n0
unconverge normalement sur R( pour tout nN,|un(x)| ≤ 4
n2) , de somme f(
voir le résumé après Q16 ) .
Q19 On a xR, f(x) =
X
n=0
un(x) = 2π2
3+
X
n=1
4(1)ncos(nx)
n2.
Comme f(0) = 0 alors
X
n=1
(1)n
n2=π2
12
Et f(π) = π2entraîne
X
n=1
1
n2=π2
6
•• On pose Sn=
n
X
k=1
1
k2et Tn=
n
X
k=1
1
(2k+ 1)2.
On a : nN, S2n+2 =Tn+1
4Sn+1 , le passage à la limite lorsque n+nous donne :
π26 = lim Tn+π212 ( les Tnsont les sommes partielles d’une série convergente )
d’où
X
n=0
1
(2n+ 1)2=π2
8
4
Q20. On pose : f(x) = ln(x+1)
xsi 0< x 1
1si x= 0
La fonction fest continue sur [0,1] donc sa restriction sur ]0,1[ y est intégrable.
En utilisant le développement en série entière de x7→ ln(x+ 1) , on écrit :
x]0,1] , f(x) =
X
n=1
(x)n1
n
Posons , pour x[0,1] , n N, fn(x) = (x)n1
n. On a X
n1
fnconverge simplement vers f
cette convergence est normale puis uniforme , en effet
x]0,1] ,|f(x)
n
X
k=1
fk(x)|=|
X
k=n+1
fk(x)| ≤ xn+1
n+ 1 1
n+ 1 (T.S.S.A)
( ceci reste vrai pour x= 0 :|Rn(0)|= 0 1
n+1 )
donc R1
0
ln(x+1)
x=R1
0f(x)dx =
X
k=1 Z1
0
fk(x)dx =
X
k=1
(1)k1
k2=π2
12 .
Q21. La fonction fdéfinie en Q18. est la somme d’une série trigonométrique qui converge
normalement sur R, mais elle n’est pas dérivable aux points (2k+ 1)π , k Z.
•• Posons un(x) = ancos nx +bnsin nx .
Si Pu0
nconverge uniformément sur Ralors la somme sera dérivable ( Dérivation terme à terme
).
Supposons que les deux séries numériques Pnanet Pnbnsont convergentes , on aura donc
|u0
n(x)|=| − nansin nx +nbncos nx|≤|nan|+|nbn|
ce qui assure la convergence normale de Pu0
nsur Rpuis la dérivabilité de la somme.
Q22. On pose f(x) =
X
n=1
sin nx
3n=3 sin x
10 6 cos x( voir Q5. ) .
La condition proposée en Q21. est vérifiée : Xn
3nest convergente ( règle de D’Alembert )
La somme fest donc dérivable sur Ravec f0(x) =
X
n=1
ncos nx
3n
d’où
X
n=1
ncos nx
3n=30 cos x18
(10 6 cos x)2
Pour vos remarques , merci de me contacter sur
5
1 / 5 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !