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On considère la fonction SS définie sur l'intervalle I=]1,+[I = ]-1, +\infty[ par :

S(x)=n=1+(1n1n+x)S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x} \right)

  1. Démontrer que SS est bien définie et continue sur II.
  2. Justifier que SS est une fonction croissante sur II.
  3. Calculer la différence S(x+1)S(x)S(x+1) - S(x) pour tout xIx \in I.
  4. En déduire un équivalent de S(x)S(x) lorsque x1+x \to -1^{+}.
  5. Pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, exprimer S(n)S(n) à l'aide des nombres harmoniques Hn=k=1n1kH_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k}.
  6. Déterminer un équivalent de S(x)S(x) quand x+x \to +\infty.

1.

Réécrire le terme général sous la forme xn(n+x)\frac{x}{n(n+x)} pour étudier la convergence.

2.

Pour la différence S(x+1)S(x)S(x+1)-S(x), utiliser la linéarité (prudemment) ou un changement d'indice pour faire apparaître un télescopage.

3.

Pour l'équivalent en ++\infty, utiliser l'encadrement par la partie entière S(x)S(x)S(x+1)S(\lfloor x \rfloor) \leq S(x) \leq S(\lfloor x \rfloor + 1).

Idées clés

Étude du terme général d'une série de fonctions rationnelles.

Utilisation d'une relation de récurrence (équation aux différences).

Encadrement par des valeurs entières pour le comportement asymptotique.

Résolution.

  1. Soit fn(x)=1n1n+x=xn(n+x)f_n(x) = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x} = \frac{x}{n(n+x)}. Pour x>1x > -1 fixé, fn(x)xn2f_n(x) \sim \frac{x}{n^2} quand n+n \to +\infty. La série 1n2\sum \frac{1}{n^2} converge, donc S(x)S(x) est définie sur II.

    Pour la continuité, soit [a,b]I[a, b] \subset I. Pour n>an > |a|, on a :

    fn(x)max(a,b)n(n+a)|f_n(x)| \leq \frac{\max(|a|, |b|)}{n(n+a)}
    Le terme de droite est le terme général d'une série numérique convergente. La série de fonctions converge normalement sur tout segment de II, d'où la continuité de SS.

  2. La fonction xfn(x)x \mapsto f_n(x) est croissante sur II car sa dérivée fn(x)=1(n+x)2f_n'(x) = \frac{1}{(n+x)^2} est strictement positive. Par somme de fonctions croissantes, SS est croissante sur II.

  3. On calcule la différence :
    S(x+1)S(x)=n=1+(1n1n+x+1)n=1+(1n1n+x)S(x+1) - S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x+1} \right) - \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x} \right)

    Par linéarité de la somme (valide car les séries convergent) :

    S(x+1)S(x)=n=1+(1n+x1n+x+1)S(x+1) - S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \frac{1}{n+x} - \frac{1}{n+x+1} \right)

    On reconnaît une série télescopique :

    n=1N(1n+x1n+x+1)=11+x1N+1+xN+1x+1\sum_{n=1}^{N} \left( \frac{1}{n+x} - \frac{1}{n+x+1} \right) = \frac{1}{1+x} - \frac{1}{N+1+x} \xrightarrow[N \to +\infty]{} \frac{1}{x+1}

    S(x+1)S(x)=1x+1\boxed{ S(x+1) - S(x) = \frac{1}{x+1} }

  4. D'après la relation précédente, S(x)=S(x+1)1x+1S(x) = S(x+1) - \frac{1}{x+1}. Lorsque x1+x \to -1^+, x+10+x+1 \to 0^+, donc S(x+1)S(0)=0=0S(x+1) \to S(0) = \sum 0 = 0. Ainsi, le terme 1x+1-\frac{1}{x+1} prédomine.

    S(x)x1+1x+1\boxed{ S(x) \underset{x \to -1^+}{\sim} -\frac{1}{x+1} }

  5. S(0)=0S(0)=0 et S(k)S(k1)=1kS(k)-S(k-1) = \frac{1}{k} pour k1k \geq 1. Par sommation :
    S(n)=k=1n(S(k)S(k1))+S(0)=k=1n1kS(n) = \sum_{k=1}^n (S(k) - S(k-1)) + S(0) = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k}

    S(n)=Hn\boxed{ S(n) = H_n }

  6. On sait que HnlnnH_n \sim \ln n quand n+n \to +\infty. Comme SS est croissante, pour tout x>0x > 0 :
    S(x)S(x)S(x+1)S(\lfloor x \rfloor) \leq S(x) \leq S(\lfloor x \rfloor + 1)

    D'où HxS(x)Hx+1H_{\lfloor x \rfloor} \leq S(x) \leq H_{\lfloor x \rfloor + 1}. Puisque ln(x)ln(x)\ln(\lfloor x \rfloor) \sim \ln(x) et ln(x+1)ln(x)\ln(\lfloor x \rfloor + 1) \sim \ln(x), on conclut :

    S(x)x+lnx\boxed{ S(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \ln x }

Manipulation de sommes divergentes séparément.

Encadrement par la partie entière pour les équivalents de fonctions monotones.