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On considère la suite (un)n∈N∗(u_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par les relations suivantes pour tout p∈Np \in \mathbb{N} :

u3p+1=14p+1,u3p+2=14p+3,u3p+3=−12p+2u_{3p+1} = \frac{1}{4p+1},   u_{3p+2} = \frac{1}{4p+3},   u_{3p+3} = \frac{-1}{2p+2}

  1. Montrer que la série ∑un\sum u_n converge. On pourra introduire la suite wp=u3p+1+u3p+2+u3p+3w_p = u_{3p+1} + u_{3p+2} + u_{3p+3} et justifier soigneusement le lien entre la convergence de ∑un\sum u_n et celle de ∑wp\sum w_p.
  2. On note vn=(−1)n−1nv_n = \frac{(-1)^{n-1}}{n} pour n⩾1n \geqslant 1. Justifier que la suite (un)n∈N∗(u_n)_{n \in \mathbb{N}^*} est obtenue par une permutation des termes de la suite (vn)n∈N∗(v_n)_{n \in \mathbb{N}^*}.
  3. Établir que pour tout p∈N∗p \in \mathbb{N}^* :
    ∑n=13pun=∑n=14p(−1)n−1n+12∑k=p+12p1k\sum_{n=1}^{3p} u_n = \sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n} + \frac{1}{2} \sum_{k=p+1}^{2p} \frac{1}{k}
  4. En déduire la valeur de la somme ∑n=1+∞un\sum_{n=1}^{+\infty} u_n, sachant que ∑n=1+∞(−1)n−1n=ln⁡2\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n} = \ln 2.

1.

Pour la question 1, remarquer que un→0u_n \to 0. La convergence d'une série dont le terme général tend vers 0 est équivalente à la convergence d'une série obtenue par groupement de termes en paquets de taille fixe.

2.

Pour la question 2, identifier séparément les termes d'indice pair et impair dans (vn)(v_n).

3.

Pour la question 3, exprimer wpw_p en faisant apparaître des termes de la forme 1k\frac{1}{k} et utiliser un télescopage ou une récurrence.

4.

Pour la question 4, reconnaître une somme de Riemann pour la seconde partie de l'expression.

Idées clés

•

Sommation par paquets : si un→0u_n \to 0, la convergence de ∑un\sum u_n équivaut à celle de ∑(ukn+1+⋯+ukn+k)\sum (u_{kn+1} + \dots + u_{kn+k}).

•

Lien entre sommes partielles et intégrales (sommes de Riemann).

Résolution.

  1. Soit SN=∑n=1NunS_N = \sum_{n=1}^N u_n la somme partielle d'ordre NN. Notons Tp=∑k=0p−1wk=S3pT_p = \sum_{k=0}^{p-1} w_k = S_{3p} la somme partielle de la série ∑wp\sum w_p. Comme un→0u_n \to 0 quand n→+∞n \to +\infty, la série ∑un\sum u_n converge si et seulement si la suite extraite (S3p)p∈N(S_{3p})_{p \in \mathbb{N}} converge. Calculons le terme général wpw_p :
    wp=14p+1+14p+3−12p+2w_p = \frac{1}{4p+1} + \frac{1}{4p+3} - \frac{1}{2p+2}
    En mettant au même dénominateur, on obtient :
    wp=(4p+3)(2p+2)+(4p+1)(2p+2)−(4p+1)(4p+3)(4p+1)(4p+3)(2p+2)w_p = \frac{(4p+3)(2p+2) + (4p+1)(2p+2) - (4p+1)(4p+3)}{(4p+1)(4p+3)(2p+2)}
    wp=8p2+14p+6+8p2+10p+2−(16p2+16p+3)(4p+1)(4p+3)(2p+2)=8p+5(4p+1)(4p+3)(2p+2)w_p = \frac{8p^2 + 14p + 6 + 8p^2 + 10p + 2 - (16p^2 + 16p + 3)}{(4p+1)(4p+3)(2p+2)} = \frac{8p + 5}{(4p+1)(4p+3)(2p+2)}
    On observe que wp∼8p32p3=14p2w_p \sim \frac{8p}{32p^3} = \frac{1}{4p^2}. Par comparaison avec une série de Riemann convergente, la série ∑wp\sum w_p converge.
    La seˊrie ∑un est convergente.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ est convergente.}}

  2. Les termes de (vn)(v_n) sont de la forme 12k+1\frac{1}{2k+1} (positifs) et −12k-\frac{1}{2k} (négatifs). Dans la suite (un)(u_n) :
    • Les termes u3p+1=14p+1u_{3p+1} = \frac{1}{4p+1} et u3p+2=14p+3u_{3p+2} = \frac{1}{4p+3} parcourent tous les inverses d'entiers impairs positifs une seule fois.
    • Le terme u3p+3=−12(p+1)=−12ku_{3p+3} = -\frac{1}{2(p+1)} = -\frac{1}{2k} parcourt tous les inverses d'entiers pairs négatifs une seule fois.
    Ainsi, (un)(u_n) est bien un réarrangement de (vn)(v_n).

  3. Calculons la différence Δp=∑n=13pun−∑n=14p(−1)n−1n\Delta_p = \sum_{n=1}^{3p} u_n - \sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n}. La somme ∑n=14p(−1)n−1n\sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n} contient les inverses impairs jusqu'à 4p−14p-1 et les inverses pairs (négatifs) jusqu'à 4p4p. La somme ∑n=13pun\sum_{n=1}^{3p} u_n contient les inverses impairs jusqu'à 4p−14p-1 et les inverses pairs (négatifs) jusqu'à 2p2p. Par différence, il reste les inverses pairs (négatifs) de 2p+22p+2 à 4p4p que l'on doit retirer de la seconde somme, et on doit compenser ceux déjà présents :
    ∑n=13pun−∑n=14p(−1)n−1n=(∑k=12p−12k)−(∑k=12p−12k+∑k=2p+14p−12k)=∑k=p+12p12k\sum_{n=1}^{3p} u_n - \sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n} = \left( \sum_{k=1}^{2p} \frac{-1}{2k} \right) - \left( \sum_{k=1}^{2p} \frac{-1}{2k} + \sum_{k=2p+1}^{4p} \frac{-1}{2k} \right) = \sum_{k=p+1}^{2p} \frac{1}{2k}
    On obtient bien :
    ∑n=13pun=∑n=14p(−1)n−1n+12∑k=p+12p1k\boxed{\sum_{n=1}^{3p} u_n = \sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n} + \frac{1}{2} \sum_{k=p+1}^{2p} \frac{1}{k}}

  4. On sait que lim⁡p→+∞∑n=14p(−1)n−1n=ln⁡2\lim_{p \to +\infty} \sum_{n=1}^{4p} \frac{(-1)^{n-1}}{n} = \ln 2. Pour le second terme, on reconnaît une somme de Riemann :
    12∑k=p+12p1k=12∑j=1p1p+j=12⋅1p∑j=1p11+jp\frac{1}{2} \sum_{k=p+1}^{2p} \frac{1}{k} = \frac{1}{2} \sum_{j=1}^{p} \frac{1}{p+j} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{p} \sum_{j=1}^{p} \frac{1}{1 + \frac{j}{p}}
    Par convergence des sommes de Riemann vers l'intégrale :
    lim⁡p→+∞12∑k=p+12p1k=12∫0111+xdx=12[ln⁡(1+x)]01=12ln⁡2\lim_{p \to +\infty} \frac{1}{2} \sum_{k=p+1}^{2p} \frac{1}{k} = \frac{1}{2} \int_0^1 \frac{1}{1+x} dx = \frac{1}{2} [\ln(1+x)]_0^1 = \frac{1}{2} \ln 2
    En sommant les deux limites :
    ∑n=1+∞un=ln⁡2+12ln⁡2=32ln⁡2\sum_{n=1}^{+\infty} u_n = \ln 2 + \frac{1}{2} \ln 2 = \frac{3}{2} \ln 2
    ∑n=1+∞un=32ln⁡2\boxed{\sum_{n=1}^{+\infty} u_n = \frac{3}{2} \ln 2}

Ne pas intervertir l'ordre des termes d'une série semi-convergente sans précaution.

Équivalence de convergence par groupement de termes si le terme général tend vers 0.