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Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « convergence normale » ?

Définition 10.9 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 10 — Suites et séries de fonctions

Une série de fonctions ∑un\sum u_n converge simplement/uniformément lorsque ses sommes partielles le font. Elle converge normalement (sur XX) lorsque ∑∥un∥∞<∞\sum \norm{u_n}_\infty < \infty. La convergence normale entraîne la convergence uniforme (dans l’espace de Banach des fonctions bornées : Théorème 5.21), qui entraîne la convergence simple ; les deux implications sont strictes.

Exemples

Exemple 10.10 (Une série, trois verdicts)

Prenons un(x)=xnnu_n(x) = \frac{x^n}{n} sur [0, 1)\intco{0}{1}. Simplement : converge pour tout x∈[0, 1)x \in \intco01 (comparaison avec la série géométrique). Normalement sur [0, a]\intcc{0}{a}, a<1a < 1 : ∥un∥∞,[0, a]=ann\norm{u_n}_{\infty,\intcc0a} = \frac{a^n}{n}, sommable. Pas normalement sur [0, 1)\intco{0}{1} : ∥un∥∞,[0, 1)=1n\norm{u_n}_{\infty,\intco01} = \frac1n, et ∑1n\sum\frac1n diverge. Pas même uniformément sur [0, 1)\intco{0}{1} : le reste résiste près de 11,

RN(x)=∑n>Nxnn≥∑n=N+12Nxnn≥N x2N2N=x2N2→x→1−12,R_N(x) = \sum_{n>N}\frac{x^n}{n} \geq \sum_{n=N+1}^{2N}\frac{x^n}{n} \geq \frac{N\,x^{2N}}{2N} = \frac{x^{2N}}{2} \xrightarrow[x\to1^-]{} \frac12 ,

donc sup⁡[0, 1)∣RN∣≥12\sup_{\intco01}\abs{R_N} \geq \frac12 pour tout NN. Éclairage final : les quatre verdicts coexistent paisiblement — la somme −ln⁡(1−x)-\ln(1-x) est continue sur [0, 1)\intco{0}{1} car la continuité ne requiert l’uniformité que près de chaque point, c.-à-d. sur les segments [0, a]\intcc0a ; exploser au bord est le droit de la somme.

Exemple 10.13 (La fonction ζ\zeta de Riemann)

ζ(s)=∑n≥1n−s\zeta(s) = \sum_{n\geq1} n^{-s} converge normalement sur toute demi-droite [a, +∞)\intco{a}{+\infty}, a>1a > 1 (∥n−s∥∞=n−a\norm{n^{-s}}_\infty = n^{-a}, sommable) : ζ\zeta est continue sur (1, +∞)\intoo{1}{+\infty} ; en dérivant terme à terme (la série dérivée ∑−ln⁡n  n−s\sum -\ln n\; n^{-s} converge elle aussi normalement sur [a, ∞)\intco{a}{\infty}), ζ\zeta est de classe C1C^1 — et, par itération, C∞C^\infty — avec ζ′(s)=−∑ln⁡nns\zeta'(s) = -\sum \frac{\ln n}{n^s}. Noter la discipline : la convergence normale se vérifie sur des sous-demi-droites, jamais sur l’ouvert (1, ∞)\intoo{1}{\infty} lui-même, où elle échoue.

Exemple 10.14 (Une série logarithmique, traitée jusqu’au bout)

Posons F(x)=∑n≥1e−nxnF(x) = \sum_{n\geq1} \frac{\eu^{-nx}}{n} sur (0, ∞)\intoo{0}{\infty}. Chaque terme est borné sur [δ, ∞)\intco{\delta} \infty par e−nδn≤e−nδ\frac{\eu^{-n\delta}}{n} \leq \eu^{-n\delta}, une série géométrique convergente : convergence normale sur tout [δ, ∞)\intco\delta\infty, donc FF est continue sur (0, ∞)\intoo{0}{\infty}. La série dérivée ∑−e−nx\sum -\eu^{-nx} est de même normalement convergente sur [δ, ∞)\intco\delta\infty (∥e−nx∥∞,[δ, ∞)=e−nδ\norm{\eu^{-nx}}_{\infty,\intco\delta\infty} = \eu^{-n\delta}), donc FF est de classe C1C^1 de dérivée géométrique :

F′(x)=−∑n≥1e−nx=−e−x1−e−x=−1ex−1.F'(x) = -\sum_{n\geq1}\eu^{-nx} = \frac{-\eu^{-x}}{1 - \eu^{-x}} = \frac{-1}{\eu^{x} - 1} .

Par itération, FF est de classe C∞C^\infty. En intégrant F′F' (aussi bien FF que x↦−ln⁡(1−e−x)x \mapsto -\ln(1 - \eu^{-x}) s’annulent en +∞+\infty et ont la même dérivée sur (0, ∞)\intoo0\infty) :

F(x)=−ln⁡(1−e−x),F(x) = -\ln\bigl(1 - \eu^{-x}\bigr),

la série logarithmique en t=e−xt = \eu^{-x}. Éclairage final : lorsque x→0+x \to 0^+, F(x)=−ln⁡(x+O(x2))=ln⁡1x+O(x)F(x) = -\ln(x + O(x^2)) = \ln\frac1x + O(x) — la série diverge logarithmiquement au bord, exactement comme la série harmonique qu’elle devient en x=0x = 0 ; la convergence normale sur [δ, ∞)\intco\delta\infty mais non sur (0, ∞)\intoo0\infty en est le symptôme.

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