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Soit ∑un\sum u_n une série convergente à termes strictement positifs. On note Rn=∑k=n+1+∞ukR_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} u_k son reste d'ordre nn. Pour α>0\alpha > 0, on définit la série de terme général vn=unRn−1αv_n = \frac{u_n}{R_{n-1}^\alpha}.

  1. Exemple : Étudier la convergence de ∑vn\sum v_n dans le cas particulier un=2−nu_n = 2^{-n}.
  2. Cas général α=1\alpha = 1 : En observant que un=Rn−1−Rnu_n = R_{n-1} - R_n, déterminer la nature de ∑unRn−1\sum \frac{u_n}{R_{n-1}}.
  3. Cas général α>1\alpha > 1 : Montrer que la série ∑vn\sum v_n diverge.
  4. Cas général 0<α<10 < \alpha < 1 : Montrer que la série ∑vn\sum v_n converge en utilisant une comparaison avec une intégrale.

1.

Pour la question 1, calculer explicitement RnR_n pour une suite géométrique.

2.

Pour la question 2, utiliser ln⁡(Rn/Rn−1)=ln⁡(1−vn)\ln(R_n/R_{n-1}) = \ln(1 - v_n).

3.

Pour la question 3, comparer Rn−1αR_{n-1}^\alpha et Rn−1R_{n-1} sachant que Rn→0R_n \to 0.

4.

Pour la question 4, utiliser l'inégalité vn≤∫RnRn−1t−αdtv_n \leq \int_{R_n}^{R_{n-1}} t^{-\alpha} \mathrm{d}t.

Idées clés

•

Propriété fondamentale du reste : un=Rn−1−Rnu_n = R_{n-1} - R_n.

•

Comportement de RnR_n : suite décroissante tendant vers 00.

•

Comparaison série-intégrale.

Résolution.

  1. Soit un=2−nu_n = 2^{-n}. Alors Rn=∑k=n+1∞12k=12n+111−1/2=12nR_n = \sum_{k=n+1}^\infty \frac{1}{2^k} = \frac{1}{2^{n+1}} \frac{1}{1-1/2} = \frac{1}{2^n}. On en déduit :
    vn=2−n(2−(n−1))α=2−n2−αn+α=2−α⋅(2α−1)nv_n = \frac{2^{-n}}{(2^{-(n-1)})^\alpha} = \frac{2^{-n}}{2^{-\alpha n + \alpha}} = 2^{-\alpha} \cdot (2^{\alpha-1})^n
    C'est une série géométrique de raison q=2α−1q = 2^{\alpha-1}. Elle converge si et seulement si 2α−1<12^{\alpha-1} < 1, soit α−1<0\alpha-1 < 0, donc α<1\boxed{\alpha < 1}.

  2. Pour α=1\alpha = 1, on a vn=Rn−1−RnRn−1=1−RnRn−1v_n = \frac{R_{n-1} - R_n}{R_{n-1}} = 1 - \frac{R_n}{R_{n-1}}. Si vnv_n ne tend pas vers 00, la série diverge. Si vn→0v_n \to 0, alors ln⁡(1−vn)∼−vn\ln(1-v_n) \sim -v_n. Or :
    ∑k=1nln⁡(1−vk)=∑k=1n(ln⁡(Rk)−ln⁡(Rk−1))=ln⁡(Rn)−ln⁡(R0)\sum_{k=1}^n \ln(1-v_k) = \sum_{k=1}^n (\ln(R_k) - \ln(R_{k-1})) = \ln(R_n) - \ln(R_0)
    Comme Rn→0R_n \to 0, alors ln⁡(Rn)→−∞\ln(R_n) \to -\infty. La série ∑ln⁡(1−vn)\sum \ln(1-v_n) diverge vers −∞-\infty, donc :
    ∑unRn−1 diverge\boxed{\sum \frac{u_n}{R_{n-1}} \text{ diverge}}

  3. Si α>1\alpha > 1, comme Rn−1→0R_{n-1} \to 0, il existe un rang NN tel que pour tout n≥Nn \geq N, 0<Rn−1≤10 < R_{n-1} \leq 1. Comme α>1\alpha > 1, on a Rn−1α≤Rn−1R_{n-1}^\alpha \leq R_{n-1}, d'où :
    vn=unRn−1α≥unRn−1v_n = \frac{u_n}{R_{n-1}^\alpha} \geq \frac{u_n}{R_{n-1}}
    Par comparaison avec le cas α=1\alpha=1 traité précédemment, ∑vn\sum v_n diverge.

  4. Soit 0<α<10 < \alpha < 1. La fonction t↦t−αt \mapsto t^{-\alpha} est décroissante. Pour t∈[Rn,Rn−1]t \in [R_n, R_{n-1}], on a t−α≥Rn−1−αt^{-\alpha} \geq R_{n-1}^{-\alpha}. En intégrant :
    ∫RnRn−1dttα≥Rn−1−RnRn−1α=vn\int_{R_n}^{R_{n-1}} \frac{\mathrm{d}t}{t^\alpha} \geq \frac{R_{n-1} - R_n}{R_{n-1}^\alpha} = v_n
    Le calcul de l'intégrale donne :
    vn≤11−α(Rn−11−α−Rn1−α)v_n \leq \frac{1}{1-\alpha} \left( R_{n-1}^{1-\alpha} - R_n^{1-\alpha} \right)
    Puisque 1−α>01-\alpha > 0 et Rn→0R_n \to 0, la série télescopique de terme général (Rn−11−α−Rn1−α)(R_{n-1}^{1-\alpha} - R_n^{1-\alpha}) converge. Par comparaison, ∑vn converge\boxed{\sum v_n \text{ converge}}.

Inversion du sens des inégalités pour les puissances entre 0 et 1.

Le reste d'une série convergente se comporte à l'inverse de la somme partielle.