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Soit un\sum u_n une série convergente à termes réels positifs.

  1. Soit α\alpha un paramètre réel tel que α>12\alpha > \frac{1}{2}. Montrer que la série de terme général vn=unnαv_n = \frac{\sqrt{u_n}}{n^{\alpha}} est convergente.
  2. On suppose dans cette question que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un>0u_n > 0. Déterminer la nature de la série de terme général wn=exp(1un)w_n = \exp\left( -\frac{1}{u_n} \right).

1.

Pour la première question, on pourra utiliser l'inégalité de Cauchy-Schwarz pour les sommes finies ou l'inégalité classique 2aba2+b22ab \leq a^2 + b^2.

2.

Pour la seconde question, utiliser le fait que le terme général d'une série convergente tend vers 00 et effectuer une comparaison asymptotique.

Idées clés

Inégalité de Cauchy-Schwarz pour les séries à termes positifs.

Comparaison aux séries de Riemann.

Croissances comparées pour les négligeabilités.

Résolution.

  1. Première méthode : Inégalité de Cauchy-Schwarz Les termes de la série sont positifs. Pour tout NNN \in \mathbb{N}^*, considérons la somme partielle :
    SN=n=1NunnαS_N = \sum_{n=1}^N \frac{\sqrt{u_n}}{n^{\alpha}}
    D'après l'inégalité de Cauchy-Schwarz appliquée aux familles (un)1nN(\sqrt{u_n})_{1 \leq n \leq N} et (nα)1nN(n^{-\alpha})_{1 \leq n \leq N}, on a :
    (n=1Nun1nα)2(n=1N(un)2)(n=1N(1nα)2)\left( \sum_{n=1}^N \sqrt{u_n} \cdot \frac{1}{n^{\alpha}} \right)^2 \leq \left( \sum_{n=1}^N (\sqrt{u_n})^2 \right) \left( \sum_{n=1}^N \left(\frac{1}{n^{\alpha}}\right)^2 \right)
    Ce qui se réécrit :
    SN2(n=1Nun)(n=1N1n2α)S_N^2 \leq \left( \sum_{n=1}^N u_n \right) \left( \sum_{n=1}^N \frac{1}{n^{2\alpha}} \right)
    Par hypothèse, la série un\sum u_n converge, donc ses sommes partielles sont majorées par sa somme S=n=0unS = \sum_{n=0}^{\infty} u_n. De plus, puisque α>12\alpha > \frac{1}{2}, on a 2α>12\alpha > 1. La série de Riemann 1n2α\sum \frac{1}{n^{2\alpha}} est donc convergente. Notons RR sa somme. On en déduit que pour tout NN :
    SN2SRS_N^2 \leq S \cdot R
    La suite des sommes partielles (SN)(S_N) est croissante (car vn0v_n \geq 0) et majorée par SR\sqrt{SR}.
    La seˊrie unnα est convergente.\boxed{\text{La série } \sum \frac{\sqrt{u_n}}{n^{\alpha}} \text{ est convergente.}}

  2. Puisque la série un\sum u_n converge, son terme général tend vers 00 :
    limn+un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0
    Comme un>0u_n > 0, on en déduit que 1unn++\frac{1}{u_n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} +\infty. Posons Xn=1unX_n = \frac{1}{u_n}. On souhaite comparer wn=eXnw_n = e^{-X_n} à un=1Xnu_n = \frac{1}{X_n}. D'après les limites de croissances comparées, nous savons que :
    limX+XeX=0\lim_{X \to +\infty} X e^{-X} = 0
    Par composition de limites, il vient :
    limn+1unexp(1un)=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{u_n} \exp\left( -\frac{1}{u_n} \right) = 0
    Ceci signifie que wnw_n est négligeable devant unu_n au voisinage de l'infini :
    wn=o(un)\boxed{w_n = o(u_n)}
    Comme la série un\sum u_n est à termes positifs et convergente, le théorème de comparaison des séries à termes positifs assure que :
    La seˊrie exp(1un) converge.\boxed{\text{La série } \sum \exp\left( -\frac{1}{u_n} \right) \text{ converge.}}

Vérifier la condition sur l'exposant de Riemann après transformation.

Pour majorer un produit dans une série, penser à Cauchy-Schwarz ou à l'inégalité arithmético-géométrique.