Cette page propose dix exercices corrigés sur les suites de fonctions, couvrant l'ensemble du programme de classes préparatoires (MPSI, PCSI, MP, PSI). Vous y trouverez des exercices progressifs allant de l'étude de la convergence simple à la convergence uniforme, en passant par l'interversion de la limite et de l'intégrale ainsi que la régularité de la fonction limite (continuité, dérivabilité). Chaque exercice est accompagné d'une indication pédagogique et d'un corrigé complet rédigé pas à pas. La maîtrise de ces notions (notamment la norme sup, le critère de Cauchy uniforme et le théorème de convergence dominée) est indispensable pour réussir les oraux et écrits des concours. Ces exercices prolongent le cours sur les suites et séries de fonctions et mobilisent aussi les bases des suites numériques.
Convergence simple d’une suite de fonctions : définition et premiers exercices
La convergence simple est la notion la plus fondamentale pour les suites de fonctions. On fixe et on étudie la suite numérique . Les exercices suivants permettent de calculer la fonction limite et d'identifier les domaines de convergence.
Exercice 1 : Convergence simple de sur
Pour tout entier , on définit la suite de fonctions sur par .
- Montrer que la suite converge simplement sur et déterminer la fonction limite .
- La fonction est-elle continue sur ? Comparer avec les fonctions .
Indication
Pour la question 1, distinguez deux cas selon que ou . Pour la question 2, observez le comportement de au voisinage de .
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Soit . Puisque , on a . Pour , on a pour tout . La suite converge donc simplement sur vers la fonction :
Solution de la question 2 :Chaque est continue sur . Pourtant la fonction limite est discontinue en : elle vaut pour et pour . La continuité n'est donc pas préservée par convergence simple, ce qui illustre pourquoi une notion plus forte (la convergence uniforme) est nécessaire.
Exercice 2 : Convergence simple de sur
Pour tout entier , on définit par .
- Déterminer, pour chaque , la limite de quand .
- Calculer et en déduire si la convergence simple est uniforme sur .
Indication
Pour la question 1, divisez numérateur et dénominateur par pour . Pour la question 2, étudiez comme une fonction de et cherchez son maximum en annulant sa dérivée.
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Pour : pour tout . Pour , on écrit . Lorsque , , donc . La fonction limite est sur .
Solution de la question 2 :On calcule . Celle-ci s'annule pour . On obtient . Donc :
Ce sup ne tend pas vers , donc la convergence n'est pas uniforme sur .
Convergence uniforme et norme sup : critères et contre-exemples
La convergence uniforme est plus exigeante que la convergence simple. Elle garantit notamment la continuité de la limite et permet des interversions. Les exercices ci-dessous entraînent à l'utilisation de la norme sup et à la construction de contre-exemples.
Exercice 3 : Convergence uniforme sur un segment fermé
Soit définie sur .
- Montrer que converge simplement vers sur .
- Étudier la convergence uniforme sur , puis sur tout intervalle avec .
Indication
Pour la convergence uniforme sur , calculez le maximum de sur . Pour , majorez en utilisant .
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Pour fixé, si : . Si : . La convergence simple vers est établie.
Solution de la question 2 :On cherche . On calcule , qui s'annule en . On obtient . Donc : la convergence est uniforme sur .
Sur avec , on peut majorer encore plus simplement : .
Exercice 4 : Vrai ou faux (propriétés conservées par convergence uniforme)
Soit une suite de fonctions convergeant simplement vers sur un intervalle . Indiquer si les assertions suivantes sont vraies ou fausses, en justifiant et en donnant un contre-exemple si besoin. Reprendre ensuite chaque assertion en supposant la convergence uniforme.
- Si les sont croissantes, alors l'est aussi.
- Si les sont continues en , alors l'est aussi.
- Si les sont périodiques de période , alors l'est aussi.
Indication
Pour les contre-exemples en convergence simple, pensez à sur pour la continuité, et à pour la périodicité. Les inégalités larges passent toujours à la limite ; mais les propriétés métriques exigent l'uniformité.
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Convergence simple : Vrai. Si , alors pour tout , et en passant à la limite : . Les inégalités larges se conservent à la limite.
Convergence uniforme : Vrai également (le même argument suffit).
Question 2 :Convergence simple : Faux. Contre-exemple : sur . Chaque est continue, mais la limite vaut sur et en : elle est discontinue en .
Convergence uniforme : Vrai. C'est le théorème fondamental : la limite uniforme d'une suite de fonctions continues est continue.
Question 3 :Convergence simple : Vrai. Pour tout , pour tout , donc à la limite .
Convergence uniforme : Vrai (même argument).
Exercice 5 : Suite de fonctions définies par morceaux
Pour , on définit par :
- Déterminer la limite simple de sur .
- Montrer que la convergence n'est pas uniforme sur .
- Calculer et en déduire que .
Indication
Pour la convergence simple, fixez et remarquez que pour grand, on a . Pour l'uniformité, évaluez en son maximum, situé en . L'intégrale se calcule uniquement sur .
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Pour : . Pour fixé, il existe tel que pour , , donc . La limite simple est .
Solution de la question 2 :Le maximum de sur est atteint en :
Donc : la convergence n'est pas uniforme.
Solution de la question 3 :Ainsi . L'interversion limite-intégrale échoue ici, précisément parce que la convergence n'est pas uniforme.
Interversion limite et intégrale : théorèmes et applications
L'un des objectifs principaux de l'étude des suites de fonctions est de savoir quand on peut écrire . La convergence uniforme sur un segment suffit ; la convergence dominée de Lebesgue est plus générale. Les exercices suivants illustrent ces deux approches, en lien avec les méthodes de calcul d'intégrales.
Exercice 6 : Calcul d’une limite d’intégrales sans convergence uniforme
Pour , on pose :
- Montrer que la suite de fonctions converge simplement vers sur et déterminer .
- Expliquer pourquoi la convergence simple ne permet pas d'intervertir directement limite et intégrale sur .
- Montrer que .
Indication
La masse de se concentre près de . Pour rendre l'argument rigoureux, coupez l'intégrale sur et , puis utilisez que est proche de près de 1.
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Pour fixé, et même , donc . En revanche, en , on a .
Solution de la question 2 :La convergence n'est pas uniforme sur , puisque . On ne peut donc pas conclure que tend vers l'intégrale de la limite simple.
Solution de la question 3 :On écrit :
Or . Il suffit donc de montrer que l'intégrale d'erreur tend vers 0. Soit . Sur , on choisit tel que . Sur , on a , donc la contribution tend vers 0. Ainsi :
Par conséquent :
Exercice 7 : Sommes de Riemann et convergence uniforme
Soit une fonction continue, et soient deux réels. Pour , on définit :
- Montrer que pour chaque fixé, est une somme de Riemann et calculer .
- Montrer que la convergence est uniforme sur .
Indication
Pour la question 1, reconnaissez la somme de Riemann de sur . Pour l'uniformité, utilisez la continuité uniforme de sur le compact .
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Pour fixé, est la somme de Riemann de sur (subdivision uniforme, pas , point gauche). Puisque est continue, donc intégrable sur :
Solution de la question 2 :Les points , avec et , restent dans le compact . La fonction est donc uniformément continue sur . Posons . Alors :
Lorsque , on a . Par continuité uniforme, le membre de droite tend vers 0 indépendamment de . La convergence est donc uniforme sur .
Régularité de la fonction limite : continuité et dérivabilité
Quand la convergence est uniforme, la limite hérite de nombreuses propriétés des . Les exercices de cette section traitent de la continuité de la limite et du théorème de dérivation terme à terme, deux résultats fondamentaux que les concours exploitent régulièrement.
Exercice 8 : La limite uniforme d’une suite de fonctions lipschitziennes
Soit une suite de fonctions -lipschitziennes sur (avec indépendant de ), convergeant simplement vers .
- Montrer que est lipschitzienne de constante sur .
- En déduire que la convergence simple est en fait uniforme sur .
Indication
Pour la question 1, partez de et passez à la limite. Pour la question 2, utilisez la lipschitzianité de pour montrer que est équicontinue, puis concluez avec le théorème d'Arzelà-Ascoli ou directement par un découpage en trois termes.
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Soient . Pour tout , . En faisant tendre (passage à la limite dans une inégalité) : . Donc est -lipschitzienne.
Solution de la question 2 :Soit . On couvre par un nombre fini de points tels que tout soit à distance de l'un d'eux. Par convergence simple, pour chaque il existe tel que . Posons . Pour et quelconque, il existe avec , et :
La convergence est donc uniforme sur .
Exercice 9 : Dérivabilité de la limite (théorème de dérivation terme à terme)
Pour , on pose sur .
- Montrer que converge uniformément sur vers une fonction que l'on précisera.
- Calculer pour tout . La suite converge-t-elle simplement ? Uniformément ?
- La suite converge-t-elle vers ? Que cela illustre-t-il concernant les hypothèses du théorème de dérivation terme à terme ?
Indication
Pour la question 1, majorez par . Pour la question 2, remarquez que ne converge vers aucune limite pour . La question 3 montre que la convergence simple des vers ne suffit pas à garantir .
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Pour tout et tout : . Donc . La suite converge uniformément sur vers .
Solution de la question 2 :On a . Pour : . Pour , la suite n'admet pas de limite (elle oscille entre et ). La suite ne converge donc pas simplement sur , et a fortiori pas uniformément.
Solution de la question 3 :La fonction limite est , donc pour tout . Or . La dérivée de la limite n'est donc pas la limite des dérivées. Cela illustre que pour le théorème de dérivation terme à terme, il ne suffit pas de supposer la convergence uniforme des : on doit aussi supposer que la suite des dérivées converge uniformément.
Exercice 10 : Suite de polynômes convergeant uniformément (caractérisation de la limite)
Soit une suite de fonctions polynomiales convergeant uniformément vers une fonction .
- Montrer qu'il existe un entier tel que pour tout et tout , .
- En posant pour , montrer que est un polynôme borné sur , puis en déduire que est une constante.
- Conclure que est nécessairement une fonction polynomiale.
Indication
Pour la question 1, utilisez la définition de la convergence uniforme avec , puis l'inégalité triangulaire pour passer de et à . Pour la question 2, le seul polynôme borné sur est le polynôme constant.
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Par convergence uniforme de vers , pour , il existe tel que pour tout et tout : . Par l'inégalité triangulaire :
Solution de la question 2 :est un polynôme (différence de polynômes). Il vérifie pour tout . Or un polynôme non constant est non borné sur (son module tend vers quand ). Donc est nécessairement un polynôme de degré , i.e. une constante .
Solution de la question 3 :On a pour tout . En évaluant en : , donc est convergente de limite . Par unicité de la limite uniforme, , qui est bien une fonction polynomiale.