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On considère la suite (un)n∈N∗(u_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par le terme général suivant :

un=∑k=1nln⁡kku_n = \sum_{k=1}^n \frac{\ln k}{k}

  1. Proposer un équivalent simple de unu_n lorsque nn tend vers +∞+\infty. On notera ana_n cet équivalent.
  2. Démontrer que la suite de terme général dn=un−and_n = u_n - a_n converge vers une constante réelle, que l'on notera γ1\gamma_1.
  3. Établir un développement asymptotique de unu_n comportant trois termes significatifs, en précisant le reste sous la forme d'un petit o.

1.

Utiliser une comparaison série-intégrale avec la fonction f(t)=ln⁡ttf(t) = \frac{\ln t}{t} pour obtenir l'équivalent et la convergence.

2.

Pour le développement plus fin, étudier le reste de la série des écarts dn−dn−1d_n - d_{n-1} en utilisant les propriétés de la dérivée de ff.

3.

Une étude de la convexité (ou du signe de f′′f'') permet d'encadrer précisément la différence entre la somme et l'intégrale.

Idées clés

•

Comparaison série-intégrale pour les fonctions monotones.

•

Étude de la convergence de la suite des écarts (constante d'Euler généralisée).

•

Estimation du reste par comparaison série-intégrale appliquée à f′f'.

Résolution.

  1. Soit la fonction ff définie sur [1,+∞[[1, +\infty[ par f(t)=ln⁡ttf(t) = \frac{\ln t}{t}. Cette fonction est de classe C∞\mathcal{C}^\infty. Sa dérivée est donnée par :
    f′(t)=1−ln⁡tt2f'(t) = \frac{1 - \ln t}{t^2}
    On observe que f′(t)≤0f'(t) \leq 0 dès que ln⁡t≥1\ln t \geq 1, c'est-à-dire pour t≥et \geq e. La fonction ff est donc décroissante sur [e,+∞[[e, +\infty[. Par comparaison série-intégrale pour une fonction décroissante et positive, on sait que :
    un∼∫1nln⁡tt dtu_n \sim \int_1^n \frac{\ln t}{t}   \mathrm{d}t
    Calculons cette intégrale par un changement de variable ou par reconnaissance immédiate d'une primitive :
    ∫1nln⁡tt dt=[12(ln⁡t)2]1n=12(ln⁡n)2\int_1^n \frac{\ln t}{t}   \mathrm{d}t = \left[ \frac{1}{2} (\ln t)^2 \right]_1^n = \frac{1}{2} (\ln n)^2
    On en déduit l'équivalent cherché :
    un∼12(ln⁡n)2\boxed{ u_n \sim \frac{1}{2} (\ln n)^2 }

  2. Posons an=12(ln⁡n)2a_n = \frac{1}{2} (\ln n)^2 et dn=un−and_n = u_n - a_n. D'après le cours sur la comparaison série-intégrale, pour une fonction décroissante et positive dont l'intégrale diverge, la suite des écarts entre la somme partielle et l'intégrale converge. En effet, si l'on pose wk=f(k)−∫k−1kf(t) dtw_k = f(k) - \int_{k-1}^k f(t)   \mathrm{d}t, on montre que la série ∑wk\sum w_k converge car 0≤wk≤f(k−1)−f(k)0 \leq w_k \leq f(k-1) - f(k) par décroissance. La somme partielle de cette série est liée à dnd_n à une constante près. Ainsi, il existe un réel γ1\gamma_1 tel que :
    lim⁡n→+∞(un−12ln⁡2n)=γ1\boxed{ \lim_{n \to +\infty} (u_n - \frac{1}{2} \ln^2 n) = \gamma_1 }

  3. Pour obtenir un terme supplémentaire, étudions la vitesse de convergence de dnd_n vers γ1\gamma_1. On s'intéresse au reste Rn=γ1−dnR_n = \gamma_1 - d_n. Par télescopage des restes, on a :
    γ1−dn=∑k=n+1+∞(dk−dk−1)=∑k=n+1+∞(f(k)−∫k−1kf(t) dt)\gamma_1 - d_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} (d_k - d_{k-1}) = \sum_{k=n+1}^{+\infty} \left( f(k) - \int_{k-1}^k f(t)   \mathrm{d}t \right)
    Étudions le terme général vk=f(k)−∫k−1kf(t) dtv_k = f(k) - \int_{k-1}^k f(t)   \mathrm{d}t. Par la formule de Taylor avec reste intégral (ou une approximation trapézoïdale), on a :
    ∫k−1k(f(t)−f(k)) dt≈∫k−1k(t−k)f′(k) dt=−12f′(k)\int_{k-1}^k (f(t) - f(k))   \mathrm{d}t \approx \int_{k-1}^k (t-k)f'(k)   \mathrm{d}t = -\frac{1}{2} f'(k)
    Plus précisément, calculons f′′(t)=2ln⁡t−3t3f''(t) = \frac{2\ln t - 3}{t^3}. Pour t≥e3/2t \geq e^{3/2}, f′′f'' est positive, donc f′f' est croissante. En utilisant l'inégalité de Taylor-Lagrange ou en encadrant f′f' sur [k−1,k][k-1, k], on montre que :
    vk=−12f′(k)+O(f′′(k))v_k = -\frac{1}{2} f'(k) + O(f''(k))
    En sommant ces relations, le terme dominant du reste RnR_n est −12∑k=n+1∞f′(k)-\frac{1}{2} \sum_{k=n+1}^\infty f'(k). Par comparaison série-intégrale pour f′f', on a :
    ∑k=n+1∞f′(k)∼∫n+∞f′(t) dt=[f(t)]n+∞=−f(n)\sum_{k=n+1}^\infty f'(k) \sim \int_n^{+\infty} f'(t)   \mathrm{d}t = [f(t)]_n^{+\infty} = -f(n)
    Ainsi, Rn∼−12(−f(n))=ln⁡n2nR_n \sim -\frac{1}{2}(-f(n)) = \frac{\ln n}{2n}. On peut donc écrire le développement asymptotique final :
    un=12ln⁡2n+γ1+ln⁡n2n+o(ln⁡nn)\boxed{ u_n = \frac{1}{2} \ln^2 n + \gamma_1 + \frac{\ln n}{2n} + o\left( \frac{\ln n}{n} \right) }

Décroissance de f seulement pour t > e

Technique de l'écart entre somme et intégrale pour les constantes généralisées