1. Simplification de l'expression de Pn(x).
Méthode 1 : Par le développement en base 2.
En développant le produit Pn(x)=(1+x)(1+x2)(1+x4)…(1+x2n), on obtient une somme de termes de la forme :
xϵ0⋅20+ϵ1⋅21+⋯+ϵn⋅2n
où chaque
ϵk∈{0,1}.
D'après le théorème de décomposition en base 2, tout entier m∈[[0,2n+1−1]] possède une unique écriture sous cette forme.
Ainsi, le produit est exactement la somme de toutes les puissances de x de 0 à 2n+1−1 :
Pn(x)=m=0∑2n+1−1xm Méthode 2 : Par identité algébrique (si x=1).
On remarque que :
(1−x)Pn(x)=(1−x)(1+x)(1+x2)(1+x4)…(1+x2n) En utilisant successivement l'identité (1−a)(1+a)=1−a2, on obtient par récurrence :
(1−x)Pn(x)=(1−x2)(1+x2)(1+x4)…(1+x2n)=1−x2n+1 Comme x=1, on en déduit l'expression rationnelle :
Pn(x)=1−x1−x2n+1 2. Étude de la convergence.
Cas 1 : ∣x∣<1.
Dans ce cas, limn→+∞2n+1=+∞ et comme ∣x∣<1, on a limn→+∞x2n+1=0.
D'après l'expression précédente :
n→+∞limPn(x)=1−x1−0=1−x1 Cas 2 : x=1.
D'après la définition du produit, Pn(1)=∏k=0n(1+1)=2n+1.
n→+∞limPn(1)=+∞(Divergence) Cas 3 : x=−1.
Pour tout k⩾1, x2k=(−1)2k=1 car 2k est pair. Cependant, pour k=0, x20=−1.
Le premier facteur du produit est 1+(−1)=0.
Dès lors, pour tout n⩾0, Pn(−1)=0.
n→+∞limPn(−1)=0 Cas 4 : x>1.
Alors x2n+1→+∞. Comme 1−x<0, on a par quotient :
n→+∞limPn(x)=n→+∞lim1−x1−x2n+1=+∞(Divergence) Cas 5 : x<−1.
Alors ∣x∣>1, donc x2n+1=(∣x∣)2n+1→+∞ car l'exposant est pair.
Comme 1−x>2, le numérateur tend vers −∞ et le dénominateur est positif :
n→+∞limPn(x)=−∞(Divergence)