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Déterminer la nature des séries suivantes :

  1. un=sin(πn2+n)u_n = \sin\left(\pi \sqrt{n^2+n}\right)
  2. un=sin(πn3+n23)u_n = \sin\left(\pi \sqrt[3]{n^3+n^2}\right)
  3. un=cos(lnn)nu_n = \frac{\cos(\ln n)}{n}
  4. un=0+dx(1+x2)nu_n = \int_0^{+\infty} \frac{dx}{(1+x^2)^n}
  5. un=exp(ch(1/n))an1n+1u_n = \exp(\text{ch}(1/\sqrt{n})) - a \sqrt{\frac{n-1}{n+1}}aRa \in \mathbb{R}.

1.

Pour les questions 1 et 2, utiliser n2+n=n1+1/n\sqrt{n^2+n} = n\sqrt{1+1/n} et les propriétés de la fonction sinus (périodicité).

2.

Pour la question 3, utiliser une comparaison série-intégrale pour montrer la divergence (ou le critère de Cauchy).

3.

Pour la question 4, effectuer le changement de variable x=tanθx = \tan \theta pour se ramener aux intégrales de Wallis.

Idées clés

Utilisation de sin(X)=(1)nsin(Xnπ)\sin(X) = (-1)^n \sin(X-n\pi).

Intégrales de Wallis Wn=0π/2cosnθdθπ2nW_n = \int_0^{\pi/2} \cos^n \theta   d\theta \sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}}.

Résolution.

  1. On écrit n2+n=n(1+1n)1/2=n+1218n+O(1n2)\sqrt{n^2+n} = n \left(1 + \frac{1}{n}\right)^{1/2} = n + \frac{1}{2} - \frac{1}{8n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right). Alors πn2+n=nπ+π2π8n+O(1n2)\pi \sqrt{n^2+n} = n\pi + \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{8n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right). un=sin(nπ+π2π8n+)=(1)ncos(π8n+O(1n2))u_n = \sin(n\pi + \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{8n} + \dots) = (-1)^n \cos\left(\frac{\pi}{8n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right)\right). On a un10|u_n| \to 1 \neq 0, donc la série diverge grossièrement.

  2. De même, n3+n23=n+1319n+O(1n2)\sqrt[3]{n^3+n^2} = n + \frac{1}{3} - \frac{1}{9n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right). un=sin(nπ+π3π9n+)=(1)nsin(π3π9n+)u_n = \sin(n\pi + \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{9n} + \dots) = (-1)^n \sin\left(\frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{9n} + \dots\right). Là encore, unsin(π/3)=320|u_n| \to \sin(\pi/3) = \frac{\sqrt{3}}{2} \neq 0. La série diverge grossièrement.

  3. Considérons l'intégrale I=1Ncos(lnx)xdxI = \int_1^N \frac{\cos(\ln x)}{x}   dx. Par changement de variable u=lnxu = \ln x, I=0lnNcos(u)du=sin(lnN)I = \int_0^{\ln N} \cos(u)   du = \sin(\ln N). Cette intégrale n'a pas de limite en ++\infty, ce qui suggère la divergence. Plus rigoureusement, en utilisant le critère de Cauchy sur des tranches où cos(lnn)1/2\cos(\ln n) \ge 1/2, on montre la divergence.
    La seˊrie diverge\boxed{ \text{La série diverge} }

  4. Posons x=tanθx = \tan \theta, alors dx=(1+tan2θ)dθ=dθcos2θdx = (1+\tan^2 \theta) d\theta = \frac{d\theta}{\cos^2 \theta} et 1+x2=1cos2θ1+x^2 = \frac{1}{\cos^2 \theta}. un=0π/2(cos2θ)ndθcos2θ=0π/2cos2n2θdθ=W2n2u_n = \int_0^{\pi/2} (\cos^2 \theta)^n \frac{d\theta}{\cos^2 \theta} = \int_0^{\pi/2} \cos^{2n-2} \theta   d\theta = W_{2n-2}. D'après l'équivalent de Wallis, unπ2(2n2)π4nu_n \sim \sqrt{\frac{\pi}{2(2n-2)}} \sim \sqrt{\frac{\pi}{4n}}. Comme unCnu_n \sim \frac{C}{\sqrt{n}}, par comparaison aux séries de Riemann :
    La seˊrie diverge\boxed{ \text{La série diverge} }

  5. Effectuons un développement limité : exp(ch(1/n))=exp(1+12n+124n2+)=e(1+12n+O(1n2))\exp(\text{ch}(1/\sqrt{n})) = \exp(1 + \frac{1}{2n} + \frac{1}{24n^2} + \dots) = e \cdot (1 + \frac{1}{2n} + O(\frac{1}{n^2})). n1n+1=(11/n)1/2(1+1/n)1/2=(112n+)(112n+)=11n+O(1n2)\sqrt{\frac{n-1}{n+1}} = (1-1/n)^{1/2}(1+1/n)^{-1/2} = (1 - \frac{1}{2n} + \dots)(1 - \frac{1}{2n} + \dots) = 1 - \frac{1}{n} + O(\frac{1}{n^2}). un=e+e2na(11n)+O(1n2)=(ea)+e/2+an+O(1n2)u_n = e + \frac{e}{2n} - a(1 - \frac{1}{n}) + O\left(\frac{1}{n^2}\right) = (e-a) + \frac{e/2 + a}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right). Pour que la série converge, il faut déjà que un0u_n \to 0, donc a=ea = e. Alors un3e/2nu_n \sim \frac{3e/2}{n}, ce qui diverge.
    La seˊrie diverge pour tout aR\boxed{ \text{La série diverge pour tout } a \in \mathbb{R} }

La divergence grossière est fréquente dans les arguments oscillants

Les intégrales de Wallis sont des équivalents classiques