
21 exercices classés par difficulté (★ facile, ★★ moyen, ★★★ difficile). Cherche d’abord sans regarder le corrigé !
1 Limites simples ★★★
Déterminer la limite simple, si elle existe, de chaque suite :
- \(f_n(x) = \dfrac{x}{n+1}\) sur \(\mathbb{R}\) ;
- \(g_n(x) = \left(1 + \dfrac{x}{n}\right)^n\) sur \(\mathbb{R}\) ;
- \(h_n(x) = e^{-nx}\) sur \([0,+\infty[\) ;
- \(k_n(x) = \dfrac{\sin x}{\sqrt{n}}\) sur \(\mathbb{R}\).
2 Norme uniforme à calculer ★★★
On pose \(f_n(x) = \dfrac{x}{n+1}\). Calculer \(\|f_n\|_{\infty}\) sur \([0,3]\), puis dire si la convergence vers la fonction nulle est uniforme sur \([0,3]\) et sur \(\mathbb{R}\).
3 Vrai ou faux ? ★★★
Dire si chaque affirmation est vraie ou fausse, avec une justification courte.
- La limite simple d’une suite de fonctions continues est toujours continue.
- Une convergence uniforme sur \(I\) est une convergence simple sur \(I\).
- Une série qui converge normalement converge uniformément.
4 Normale ou pas ? ★★★
Les séries suivantes convergent-elles normalement sur \(\mathbb{R}\) ?
- \(\displaystyle\sum_{n \geqslant 1} \frac{\cos(nx)}{n^2}\) ;
- \(\displaystyle\sum_{n \geqslant 1} \frac{\sin(nx)}{n}\).
5 Une série géométrique ★★★
Montrer que \(\sum_{n \geqslant 0} x^n\) converge normalement sur \([-\tfrac12, \tfrac12]\), puis calculer la somme en \(x = \tfrac13\) et en \(x = -\tfrac12\).
6 Combien de termes ? ★★★
On pose \(f_n(x) = x^n\) sur \([0, \tfrac12]\). Calculer \(\|f_n\|_\infty\), puis déterminer le plus petit entier \(n\) tel que \(\|f_n\|_\infty < 10^{-3}\).
7 Intégrale et limite ★★★
Pour \(f_n(x) = x^n\) sur \([0,1]\), calculer \(\displaystyle\int_0^1 f_n\), puis comparer avec l’intégrale de la limite simple.
8 Un supremum à étudier ★★★
Soit \(f_n(x) = \dfrac{x}{n + x^2}\) sur \(\mathbb{R}\). Déterminer la limite simple, calculer \(\|f_n\|_\infty\) et conclure.
9 Une bosse qui se rétrécit ★★★
Soit \(f_n(x) = \dfrac{n x}{1 + n^2 x^2}\) sur \([0,+\infty[\).
- Déterminer la limite simple.
- Calculer \(f_n(1/n)\). La convergence est-elle uniforme sur \([0,+\infty[\) ?
- Montrer qu’elle est uniforme sur \([a,+\infty[\) pour tout \(a > 0\).
10 Le produit x puissance n par 1 moins x ★★★
Soit \(f_n(x) = x^n(1 - x)\) sur \([0,1]\). Montrer que \((f_n)\) converge uniformément vers \(0\) et calculer \(\|f_n\|_\infty\).
11 Une limite qui casse ★★★
Soit \(f_n(x) = \dfrac{x^n}{1 + x^n}\) sur \([0,1]\).
- Déterminer la limite simple \(f\).
- En déduire que la convergence n’est pas uniforme sur \([0,1]\).
- Montrer qu’elle est uniforme sur \([0,\tfrac23]\).
12 Un cousin de la somme de Bâle ★★★
On pose \(S(x) = \displaystyle\sum_{n \geqslant 1} \frac{x^n}{n^2}\) sur \([-1,1]\). On admet que \(\displaystyle\sum_{n \geqslant 1}\frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}\).
- Montrer que \(S\) est continue sur \([-1,1]\).
- Calculer \(S(1)\).
- Calculer \(S(1) + S(-1)\) puis \(S(-1)\).
13 Intégrer terme à terme ★★★
Justifier que \(\displaystyle\int_0^{1/2}\frac{dx}{1-x} = \sum_{n=0}^{+\infty}\int_0^{1/2}x^n\,dx\) et en déduire la somme \(\displaystyle\sum_{k \geqslant 1}\frac{1}{k\,2^k}\).
14 Racine régularisée ★★★
Soit \(f_n(x) = \sqrt{x^2 + \tfrac{1}{n^2}}\) sur \(\mathbb{R}\).
- Montrer que \(f_n\) est de classe \(C^1\) et calculer \(f_n'\).
- Montrer que \(0 \leqslant f_n(x) - |x| \leqslant \dfrac1n\). En déduire la limite uniforme de \((f_n)\).
- Cette limite est-elle dérivable en \(0\) ? Que dit-on de \((f_n')\) ?
15 Une intégrale qui s’échappe ★★★
Soit \(f_n(x) = n^2 x\,e^{-nx}\) sur \([0,1]\).
- Déterminer la limite simple.
- Calculer \(\displaystyle\int_0^1 f_n(x)\,dx\) à l’aide d’une primitive de \(x\mapsto n^2xe^{-nx}\) et sa limite.
- Calculer \(\|f_n\|_\infty\) et conclure sur l’uniformité.
16 Une série trigonométrique de classe C1 ★★★
Soit \(S(x) = \displaystyle\sum_{n \geqslant 1}\frac{\sin(nx)}{n^3}\).
- Montrer que \(S\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\) et donner \(S'\).
- Calculer \(S'(0)\) (on admet \(\sum 1/n^2 = \pi^2/6\)).
- Calculer \(S'(\pi)\) (utiliser l’exercice sur \(\sum x^n/n^2\)).
17 Une somme qui explose en zéro ★★★
Soit \(S(x) = \displaystyle\sum_{n \geqslant 1}\frac{e^{-nx}}{n}\) pour \(x > 0\).
- Montrer la convergence normale sur \([a,+\infty[\) pour tout \(a > 0\), puis la continuité de \(S\) sur \(]0,+\infty[\).
- La convergence est-elle normale sur \(]0,+\infty[\) ?
- Montrer que \(S\) est \(C^1\) et que \(S'(x) = -\dfrac{1}{e^x - 1}\).
- En déduire \(S(x) = -\ln(1 - e^{-x})\) et calculer \(S(\ln 2)\).
18 Weierstrass et les moments ★★★
Soit \(f\) continue sur \([0,1]\) telle que \(\displaystyle\int_0^1 f(t)\,t^k\,dt = 0\) pour tout entier \(k \geqslant 0\). Montrer que \(f = 0\).
19 Polynômes de Bernstein ★★★
Soit \(f(x) = \left|x - \tfrac12\right|\) sur \([0,1]\) et \(B_n(f)(x) = \displaystyle\sum_{k=0}^n \binom nk f\!\left(\tfrac kn\right)x^k(1-x)^{n-k}\).
- Calculer \(B_2(f)\).
- Déterminer \(\|B_2(f) - f\|_\infty\).
- Calculer \(B_4(f)(\tfrac12)\) et comparer avec \(f(\tfrac12)\).
20 Approcher une racine par des polynômes ★★★
On définit \(f_0 = 0\) et, pour \(x \in [0,1]\), \(f_{n+1}(x) = f_n(x) + \dfrac{x - f_n(x)^2}{2}\).
- Calculer \(f_1\) et \(f_2\).
- Montrer par récurrence que \(0 \leqslant f_n(x) \leqslant \sqrt{x}\) et que \(\sqrt{x} - f_{n+1}(x) = (\sqrt{x} - f_n(x))\left(1 - \dfrac{\sqrt{x} + f_n(x)}{2}\right)\).
- En déduire \(\sqrt{x} - f_n(x) \leqslant \sqrt{x}\left(1 - \tfrac{\sqrt{x}}{2}\right)^n\), puis \(\|\sqrt{\cdot} - f_n\|_\infty \leqslant \dfrac{2}{en}\).
21 Une bosse d’aire qui disparaît ★★★
Soit \(f_n(x) = n x (1-x)^n\) sur \([0,1]\).
- Déterminer la limite simple.
- Calculer \(\|f_n\|_\infty\) et sa limite.
- Calculer \(\displaystyle\int_0^1 f_n\) (on pourra utiliser que \(\int_0^1 x(1-x)^n dx = \dfrac{1}{(n+1)(n+2)}\)) et conclure.
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