Corrig´es d’exercices pour le TD 4
erie harmonique
1. Montrer que la s´erie harmonique Pn11
nne v´erifie pas le crit`ere de Cauchy et en d´eduire qu’elle
diverge.
On pose pour nN,
un= 1 + 1
2+···+1
p+···+1
nln(n).
2. Montrer que pour tout p1,
1
p+ 1 ln(p+ 1) ln(p)1
p.
3. D´eduire de 2. que la suite (un)n1est d´ecroissante et minoee. En d´eduire qu’elle converge.
4. D´eduire de 2. que pour tout n1, pour tout k0, 0 unun+k1
n.
Retrouver le r´esultat de la question 3. en montrant que (un)n1est de Cauchy.
Solution .
1. Pour tout n1,
u2nun=
2n
X
n+1
1
pn×1
2n=1
2
ce qui contredit le crit`ere de Cauchy. Or, R´etant complet, une s´erie de r´eels converge seulement si elle
erifie le crit`ere de Cauchy. Donc la s´erie harmonique diverge.
2. Pour tout n1,
ln(p+ 1) ln(p) = Zp+1
p
dt
t.
La fonction t7→ 1/t ´etant d´ecroissante, on a donc
1
p+ 1 Zp+1
p
1
p+ 1 dt ln(p+ 1) ln(p)Zp+1
p
1
pdt =1
p.
3. On d´eduit du cˆot´e gauche de cette in´egalit´e que un+1 un=1
n+1 ln (n+ 1)+ ln n0,ce qui montre
que (un) d´ecroˆıt, tandis qu’en sommant la partie droite de cette in´egalit´e entre p= 1 et n1 pour n2,
on obtient
ln n1 + 1
2+···+1
n1,
et en particulier la suite (un) est positive. Etant d´ecroissante minor´ee, elle converge.
4. Pour k= 0, c’est ´evident. Sinon, en sommant les in´egalit´es du 1. entre net n+k1, on obtient
1
n+ 1 +· · · +1
n+kln (n+k)ln n1
n+...+1
n+k1.
En retranchant 1
n+1 +...+1
n+k`a tous les membres de cette in´egalit´e, on obtient
0un+kun1
n1
n+k,
et en particulier on a le r´esultat cherch´e. Ceci prouve que la suite (un) est de Cauchy dans Rcomplet,
elle converge donc.
1
Espaces de suites
On d´efinit
l={(un)nNRN; sup{|un|, n N}<+∞},muni de k(un)nNk= sup{|un|, n N},
l1={(un)nNRN,
+
X
n=0
|un|<+∞},muni de k(un)nNk1=
+
X
n=0
|un|,
l2={(un)nNRN,
+
X
n=0
|un|2<+∞},muni de k(un)nNk2= +
X
n=0
|un|2!1/2
.
1. Montrer que (l,k · k), (l1,k · k1) et (l2,k · k2) sont des espaces de Banach.
2. Soit pour pN\{0},Up= (up
n)nNo`u up
n= 0 si n6=p, et up
p= 1/p. V´erifier que Upl1l2lpour
tout pN\ {0}. Pour chacune des normes 1, 2 et , la s´erie de terme g´en´eral Upest-elle absolument
convergente? La suite (Up)p1est-elle une suite de Cauchy?
3. Soit (xp)pNune suite d’´el´ements de [0,1[, et soit pour tout p,Up= ((xp)n+1)nN.
Montrer que Upl1l2lpour tout pet calculer sa norme 1, 2 et . Pour chacune des normes 1, 2
et , donner une condition suffisante pour que la s´erie de terme g´en´eral Upsoit absolument convergente.
Quelle est alors sa somme?
Solution .
1. On sait d´ej`a que (l,k · k), (l1,k · k1) et (l2,k · k2) sont des espaces vectoriels norm´es. Montrons
qu’ils sont complets. On traite seulement le cas de l1, les autres cas ´etant similaires. Soit (Up)pNune
suite de Cauchy d’´el´ements de (l1,k · k1); en particulier pour tout pN,Upest une suite sommable que
nous noterons (up
n)nN.Pour chaque nN, (up
n)pNest une suite de Cauchy de R, car pour tous p, q N,
|up
nuq
n| ≤
+
X
i=0
|up
iuq
i|=kUpUqk10
lorsque pet qtendent vers +. Ainsi, R´etant complet, pour tout nN, la suite (up
n)pNconverge dans
Rlorsque ptend vers +. Notons unsa limite, et notons U= (un)nN. Il suffit maintenant de montrer
que Ul1et que UpUpour la norme k · k1. Tout d’abord montrons que Ul1: la suite (Up) ´etant
de Cauchy dans un espace vectoriel norm´e, elle est en particulier born´ee, c’est-`a-dire qu’il existe M > 0
tel que pour tout pN,
kUpk1M,
et en particulier pour tout pNet tout NN,
N
X
n=0
|up
n| ≤ kUpk ≤ M.
Faisant tendre pvers +dans cette in´egalit´e (ce qui est possible car la somme est finie), on en d´eduit
que pour tout NN,
N
X
n=0
|un| ≤ M,
et donc la erie PnN|un|converge : Ul1.Montrons finalement que UpUpour la norme k · k1:
fixons ε > 0.La suite (Up) est de Cauchy, donc il existe p0Ntel que pour tout pp0et tout qp0,
kUpUqk1ε,
et en particulier pour tout pp0, tout qp0et tout NN,
N
X
n=0
|up
nuq
n| ≤ kUpUqk ≤ ε.
Faisant tendre qvers +dans cette in´egalit´e (ce qui est possible car la somme est finie), on en d´eduit
que pour tout pp0et tout NN,
N
X
n=0
|up
nun| ≤ ε,
2
Lorsque Ntend vers +, on en d´eduit que pour tout pp0,
kUpUk1=
+
X
n=0
|up
nun| ≤ ε,
et donc UpUdans l1lorsque p+.On a montr´e que toute suite de Cauchy d’´el´ements de (l1,k·k1)
converge dans l1, ce qui prouve que (l1,k · k1) est complet.
2. La suite Upa un seul ´el´ement non nul, elle est donc born´ee, sommable et de carr´e sommable. De plus
kUpk=kUpk1=kUpk2=1
p,
et la erie des 1/p diverge. Donc la s´erie de terme g´en´eral Upn’est pas absolument convergente, ni dans
l1, ni dans l2, ni dans l.
Pour tous p, q N\ {0}tels que p6=q,
kUpUqk=1
min{p, q},
kUpUqk1=1
p+1
q,
kUpUqk2=r1
p2+1
q2,
et dans chaque cas, cette quantit´e tend vers 0 lorsque pet qtendent vers +.La suite (Up)p1est donc
de Cauchy dans l1,l2et l.
3. Pour tout pN, Upest une suite eom´etrique de raison xp[0,1[,donc appartient `a l1l2l, et
kUpk= sup
n1
(xp)n=xp,
kUpk1=
+
X
n=1
(xp)n=xp
1xp
,
kUpk2=v
u
u
t
+
X
n=1
(xp)2n=x2
p
(1 xp)2,
On v´erifie alors (c’est un exercice de eries num´eriques) que dans chaque cas, la s´erie de terme g´en´eral
Upest absolument convergente si PpNxpconverge. Les espaces l1,l2et l´etant complets pour leur
norme respective, on en d´eduit que sous cette condition la s´erie de terme g´en´eral Upest convergente dans
l1,l2et l. Sa somme est donn´ee par
lim
P+
P
X
p=0
Up= lim
P+
P
X
p=0
((xp)n+1)nN= lim
P+ P
X
p=0
(xp)n+1!nN
,
o`u la limite est prise respectivement au sens de la norme k · k1,k · k2et k · k. Mais une telle convergence
implique la convergence terme `a terme (c’est-`a-dire pour tout nfix´e), et donc la somme de la s´erie est la
suite +
X
p=0
(xp)n+1!nN
= +
X
p=0
xp,
+
X
p=0
(xp)2,...,
+
X
p=0
(xp)n+1, . . . !.
Soit (E, k · k) un espace vectoriel norm´e. Montrer que (E, k · k) est complet si et seulement si toute s´erie
absolument convergente d’´el´ements de Econverge dans E.
Solution .
() C’est un th´eor`eme de cours: soit PnNunune s´erie d’´el´ements de Eabsolument convergente, et soit
pour nN, Un=Pn
k=0 uk.Alors pour m > n,
kUmUnk=k
m
X
k=n+1
ukk ≤
m
X
k=n+1
kukk → 0 lorsque m, n +,
3
comme reste d’une s´erie convergente. La suite (Un) est donc de Cauchy, et par compl´etude de Eon en
d´eduit qu’elle converge, c’est-`a-dire que la erie PnNunconverge.
() Soit (un) une suite de Cauchy d’´el´ements de E. On peut donc construire une suite (nk)kdivergente
et strictement croissante telle que pour tout kN,
kunk+1 unkk ≤ 1
2k.
La s´erie PkN(unk+1 unk) est donc absolument convergente, d’apr`es le th´eor`eme de comparaison entre
eries `a termes positifs. D’apr`es notre hypoth`ese, elle est donc convergente dans E, c’est-`a-dire que
N1
X
k=0
(unk+1 unk) = unNun0
converge lorsque N+vers un ´el´ement de E, et donc la suite de Cauchy (un) a une valeur d’adh´erence
dans E. Or une suite de Cauchy qui a une valeur d’adh´erence converge vers cette valeur d’adh´erence
(exercice !). Donc (un) converge, et on a bien montr´e que Eest complet.
Th´eor`eme des ferm´es emboit´es
1. Soit (E, d) un espace etrique complet, et (Fn)nune suite de ferm´es emboit´es non vides dont le
diam`etre
diam(Fn) = sup{d(x, y); x, y Fn}
tend vers 0. Montrer que n0Fnest un singleton.
2. Soit Fn={ul;kuk= 1 et u0=··· =un= 0}. V´erifier que les Fnforment une suite de ferm´es
emboit´es tous non vides d’un espace de Banach, dont l’intersection est vide. Quel est le probl`eme?
Solution .
1. Commen¸cons par montrer que n0Fnn’est pas vide. Pour tout nN,soit xnFn. Pour tous
n, m Ntels que mn, comme les Fisont emboˆıt´es, on sait que xmFmFn,xnFnet donc
d(xm, xn)diam(Fn)0 quand n+.
La suite (xn) est donc de Cauchy dans (E, k · k) complet, elle converge vers un certain xE. De plus
pour tout net mn, on a xmFmFn, et par fermeture de Fnon en eduit lorsque m+que
xFn, et ce pour tout n. Ainsi x∈ ∩n0Fn, qui n’est pas vide.
Soit de plus xet ydeux ´el´ements de n0Fn, alors pour tout n,x, y Fnet donc
d(x, y)diam(Fn)0 quand n+,
ce qui montre que x=y. On a donc montr´e que n0Fnest un singleton.
2. Les Fnsont clairement emboˆıt´es, car si ulerifie u0=··· =un+1 = 0, alors a fortiori
u0=··· =un= 0. Les Fnsont tous non vides, car pour tout nNfix´e, la suite uefinie par
u0=··· =un= 0 et ui= 1 pour tout in+ 1 est ´el´ement de Fn.Les Fnsont ´egalement ferm´es
car une suite (up)pd’´el´ements de Fnconvergeant vers un ´el´ement udans lerifie kupk= 1 et
up
0=··· =up
n= 0 pour tout p, et up
iuilorsque p+pour tout i; en particulier `a la limite on
obtient kuk= 1 et u0=···=un= 0, et donc uFn.Enfin lest un espace de Banach.
Pourtant l’intersection des Fnest vide car un ´el´ement ude cette intersection devrait v´erifier kuk= 1
et ui= 0 pour tout i, ce qui est contradictoire. Le probl`eme vient de ce que le diam`etre de Fnest 2, et
ne tend pas vers 0.
Valeurs d’adh´erence d’une suite
Soit (E, d) un espace m´etrique.
1. Soit (xn)nune suite d’´el´ements de E. Montrer que l’ensemble des valeurs d’adh´erences de (xn) est
´egal `a l’ensemble
n0{xm;mn}.
2. En d´eduire que si le th´eor`eme des ferm´es emboit´es est vrai dans E, alors Eest complet.
4
Solution .
1. Soit xE. Alors xest valeur d’adh´erence de (xn) si et seulement si
ε > 0,nN,mntel que d(xm, x)< ε
nN,ε > 0,{xm;mn} ∩ B(x, ε)6=
nN, x {xm;mn}
x∈ ∩n0{xm;mn}.
D’o`u le r´esultat.
2. Soit (xn) une suite de Cauchy d’´el´ements de E, et soit pour tout n,
Fn={xm;mn}.
Montrons que Fnsatisfait les hypoth`eses du th´eor`eme des ferm´es emboˆıt´es.
Tout d’abord, pour tout n,Fnest ´evidemment non vide et ferm´e. Les (Fn) forment une suite emboˆıt´ee
car pour tout n,
{xm;mn+ 1} ⊂ {xm;mn},
relation qui passe `a l’adh´erence.
Enfin, le diam`etre de Fnest ´egal `a sup{d(xp, xq), p, q n}. Pour cela il suffit de montrer que pour
toute partie AE,diam(A) = diam(A). L’in´egalit´e est triviale puisque AA, tandis que pour
l’in´egalit´e inverse, si x, y A, il existe deux suites (xn) et (yn) d’´el´ements de Aconvergeant respectivement
vers x, y. Alors
d(x, y) = lim d(xn, yn)diam(A)
puisque xn, ynA. En passant au sup `a gauche, on obtient le esultat annonc´e.
Ainsi
diam(Fn) = sup{d(xp, xq), p, q n} → 0
lorsque n+, car (xn) est une suite de Cauchy.
Comme le th´eor`eme des ferm´es emboˆıt´es est vrai, on d´eduit de cela qu’il existe xEtel que
n0{xm;mn}={x}.
D’apr`es la premi`ere question, la suite de Cauchy (xn) poss`ede donc une valeur d’adh´erence. Or une suite
de Cauchy qui poss`ede une valeur d’adh´erence converge vers cette valeur d’adh´erence. La suite (xn) est
donc convergente : on a bien montr´e que (E, k · k) est complet.
Boules emboiees
Soit ¯
B(an, rn) une suite de boules ferm´ees emboit´ees d’un espace m´etrique complet.
1. Montrer que pour tout m, n Ntels que mn,
d(an, am)rnrm.
2. En d´eduire que
n0¯
B(an, rn)
est une boule ferm´ee.
Solution . La suite (rn) est n´ecessairement d´ecroissante puisque les boules sont emboˆıt´ees. Etant de plus
positive, elle converge. Soit rsa limite. Pour tout mnon a de plus
d(an, am)rnrm,(1)
car ¯
B(am, rm)¯
B(an, rn). La suite (an) est donc de Cauchy dans un espace m´etrique complet, elle
converge. Soit asa limite. Montrons que n0¯
B(an, rn) = ¯
B(a, r).
Tout d’abord, lorsque m+dans (1), on obtient pour tout n,
d(an, a)rnr
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