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Soit (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de réels strictement positifs. On suppose qu'il existe un réel l>0l > 0 tel que :

1nunk=1nukn+l\frac{1}{n u_{n}} \sum_{k=1}^{n} u_{k} \xrightarrow[n \to +\infty]{} l

  1. Démontrer que la série un\sum u_{n} est divergente.
  2. On pose, pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, Sn=k=1nukS_n = \sum_{k=1}^n u_k.
    1. Déterminer la limite de nSn(n1)Sn1nun\frac{n S_n - (n-1)S_{n-1}}{n u_n} quand n+n \to +\infty.
    2. En déduire que k=1nkukn+ll+1n2un\sum_{k=1}^n k u_k \underset{n \to +\infty}{\sim} \frac{l}{l+1} n^2 u_n.

1.

Pour la question 1, raisonner par l'absurde. Si la série convergeait vers SS, quelle serait l'asymptotique de unu_n ?

2.

Pour la question 2(a), exprimer SnS_n et Sn1S_{n-1} en fonction de unu_n et un1u_{n-1} en utilisant l'hypothèse.

3.

Pour la question 2(b), utiliser le lemme de Césarò sous sa forme sommatoire : si anbna_n \sim b_n et bn\sum b_n diverge, alors les sommes partielles sont équivalentes.

Idées clés

Raisonnement par l'absurde pour la divergence.

Manipulation des sommes partielles et relations de récurrence asymptotiques.

Théorème de sommation des équivalents.

Résolution.

  1. Divergence de la série : Supposons par l'absurde que un\sum u_n converge vers S>0S > 0. L'hypothèse donne alors :
    Snunl    unSl1n\frac{S}{n u_n} \sim l \implies u_n \sim \frac{S}{l} \cdot \frac{1}{n}

    Or, la série 1n\sum \frac{1}{n} diverge. Par comparaison de séries à termes positifs, un\sum u_n devrait diverger. C'est une contradiction.

    un diverge\boxed{\sum u_n \text{ diverge}}

  2. Comportement asymptotique :

    1. Notons vn=nSn(n1)Sn1v_n = n S_n - (n-1)S_{n-1}. On a :
      vn=n(Sn1+un)(n1)Sn1=Sn1+nunv_n = n(S_{n-1} + u_n) - (n-1)S_{n-1} = S_{n-1} + n u_n
      On cherche la limite de vnnun=Sn1nun+1\frac{v_n}{n u_n} = \frac{S_{n-1}}{n u_n} + 1. D'après l'énoncé, SnlnunS_n \sim l n u_n. Comme un\sum u_n diverge, on a un/Sn0u_n/S_n \to 0 (car unSn/(ln)u_n \sim S_n/(ln) et 1/(ln)01/(ln) \to 0). Ainsi Sn1=SnunSnS_{n-1} = S_n - u_n \sim S_n. On en déduit :
      Sn1nunSnnunl\frac{S_{n-1}}{n u_n} \sim \frac{S_n}{n u_n} \to l
      D'où :
      nSn(n1)Sn1nunn+l+1\boxed{\frac{n S_n - (n-1)S_{n-1}}{n u_n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} l+1}

    2. Posons wn=nunw_n = n u_n. La question précédente montre que vn(l+1)wnv_n \sim (l+1) w_n. Comme wn=nun\sum w_n = \sum n u_n diverge (car nunSn/l+n u_n \sim S_n/l \to +\infty), on peut sommer les équivalents :
      k=1nvk(l+1)k=1nwk\sum_{k=1}^n v_k \sim (l+1) \sum_{k=1}^n w_k

      La somme de gauche est télescopique : k=1nvk=nSn\sum_{k=1}^n v_k = n S_n. Donc :

      nSn(l+1)k=1nkukn S_n \sim (l+1) \sum_{k=1}^n k u_k

      En utilisant SnlnunS_n \sim l n u_n, on obtient :

      n(lnun)(l+1)k=1nkukn(l n u_n) \sim (l+1) \sum_{k=1}^n k u_k

      D'où le résultat final :

      k=1nkukll+1n2un\boxed{\sum_{k=1}^n k u_k \sim \frac{l}{l+1} n^2 u_n}

S'assurer de la divergence de la série avant de sommer les équivalents.

Si u_n est lié à sa somme partielle de façon linéaire/asymptotique, la série diverge souvent comme une série harmonique.