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Soit (an)n∈N(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite de réels strictement positifs, décroissante. On note Sn=∑k=0nakS_n = \sum_{k=0}^n a_k la somme partielle d'ordre nn de la série ∑an\sum a_n.

L'objectif de cet exercice est de comparer la nature de la série ∑an\sum a_n avec celle de deux autres séries.

  1. Comparer la nature de la série ∑an\sum a_n et de la série de terme général un=anSnu_n = \frac{a_n}{S_n}.
  2. Comparer la nature de la série ∑an\sum a_n et de la série de terme général vn=2na2nv_n = 2^n a_{2^n}.

1.

Pour la question 1, distinguer le cas où ∑an\sum a_n converge du cas où elle diverge. En cas de divergence, on pourra utiliser un développement limité du logarithme sur le rapport Sn−1Sn\frac{S_{n-1}}{S_n}.

2.

Pour la question 2, effectuer un groupement par paquets de 2k2^k termes et utiliser la décroissance de la suite (an)(a_n) pour encadrer chaque paquet.

Idées clés

•

Comparaison par équivalence pour les séries à termes positifs.

•

Lien entre série et intégrale via la fonction logarithme (série télescopique).

•

Technique de sommation par blocs (règle de condensation de Cauchy).

Résolution.

  1. Étude de la série ∑anSn\sum \frac{a_n{S_n}.}

    Cas 1 : La série ∑an\sum a_n converge. Notons S=∑k=0+∞akS = \sum_{k=0}^{+\infty} a_k sa somme. Comme an>0a_n > 0, on a S>0S > 0. Puisque Sn→n→+∞SS_n \xrightarrow[n \to +\infty]{} S, on en déduit l'équivalent suivant :

    anSn∼anS\frac{a_n}{S_n} \sim \frac{a_n}{S}

    Par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑anSn\sum \frac{a_n}{S_n} est de même nature que ∑anS\sum \frac{a_n}{S}, laquelle converge par hypothèse.

    Si ∑an converge, alors ∑anSn converge.\boxed{\text{Si } \sum a_n \text{ converge, alors } \sum \frac{a_n}{S_n} \text{ converge.}}

    Cas 2 : La série ∑an\sum a_n diverge.

    Puisque an>0a_n > 0, la suite (Sn)(S_n) est strictement croissante et Sn→n→+∞+∞S_n \xrightarrow[n \to +\infty]{} +\infty. Si la suite (anSn)(\frac{a_n}{S_n}) ne tend pas vers 00, la série diverge grossièrement. Supposons désormais que anSn→n→+∞0\frac{a_n}{S_n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0. On remarque que :

    anSn=Sn−Sn−1Sn=1−Sn−1Sn\frac{a_n}{S_n} = \frac{S_n - S_{n-1}}{S_n} = 1 - \frac{S_{n-1}}{S_n}

    Comme anSn→0\frac{a_n}{S_n} \to 0, on a Sn−1Sn→1\frac{S_{n-1}}{S_n} \to 1. On utilise alors le développement limité ln⁡(1−x)∼−x\ln(1-x) \sim -x au voisinage de 00 :

    −ln⁡(Sn−1Sn)=−ln⁡(1−anSn)∼anSn-\ln\left(\frac{S_{n-1}}{S_n}\right) = -\ln\left(1 - \frac{a_n}{S_n}\right) \sim \frac{a_n}{S_n}

    Or, la série de terme général wn=−ln⁡(Sn−1Sn)=ln⁡(Sn)−ln⁡(Sn−1)w_n = -\ln\left(\frac{S_{n-1}}{S_n}\right) = \ln(S_n) - \ln(S_{n-1}) est une série télescopique. Sa somme partielle est :

    ∑k=1n(ln⁡Sk−ln⁡Sk−1)=ln⁡Sn−ln⁡S0→n→+∞+∞\sum_{k=1}^n (\ln S_k - \ln S_{k-1}) = \ln S_n - \ln S_0 \xrightarrow[n \to +\infty]{} +\infty

    La série ∑wn\sum w_n diverge donc vers +∞+\infty. Par comparaison, la série ∑anSn\sum \frac{a_n}{S_n} diverge également.

    La seˊrie ∑anSn est de meˆme nature que ∑an.\boxed{\text{La série } \sum \frac{a_n}{S_n} \text{ est de même nature que } \sum a_n.}

  2. Étude de la série ∑2na2n\sum 2^n a_{2^n (Règle de condensation).}

    On utilise la décroissance de (an)(a_n) pour encadrer les sommes par tranches. Pour k∈Nk \in \mathbb{N}, considérons les indices nn tels que 2k<n≤2k+12^k < n \le 2^{k+1}. Il y a 2k2^k tels indices. Par décroissance :

    a2k+1≤an≤a2k+1≤a2ka_{2^{k+1}} \le a_n \le a_{2^k+1} \le a_{2^k}

    En sommant sur ces indices :

    ∑n=2k+12k+1a2k+1≤∑n=2k+12k+1an≤∑n=2k+12k+1a2k\sum_{n=2^k+1}^{2^{k+1}} a_{2^{k+1}} \le \sum_{n=2^k+1}^{2^{k+1}} a_n \le \sum_{n=2^k+1}^{2^{k+1}} a_{2^k}

    D'où :

    2ka2k+1≤∑n=2k+12k+1an≤2ka2k2^k a_{2^{k+1}} \le \sum_{n=2^k+1}^{2^{k+1}} a_n \le 2^k a_{2^k}

    Soit en réécrivant le terme de gauche :

    12(2k+1a2k+1)≤∑n=2k+12k+1an≤2ka2k\frac{1}{2} (2^{k+1} a_{2^{k+1}}) \le \sum_{n=2^k+1}^{2^{k+1}} a_n \le 2^k a_{2^k}

    En sommant de k=0k=0 à MM :

    12∑k=1M+12ka2k≤∑n=22M+1an≤∑k=0M2ka2k\frac{1}{2} \sum_{k=1}^{M+1} 2^k a_{2^k} \le \sum_{n=2}^{2^{M+1}} a_n \le \sum_{k=0}^{M} 2^k a_{2^k}

    Conclusion : Les sommes partielles de ∑an\sum a_n sont majorées si et seulement si les sommes partielles de ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k} le sont.

    La seˊrie ∑an et la seˊrie ∑2na2n ont la meˆme nature.\boxed{\text{La série } \sum a_n \text{ et la série } \sum 2^n a_{2^n} \text{ ont la même nature.}}

Oublier de vérifier que le terme général tend vers 0 avant d'utiliser un équivalent logarithmique.

Le critère de condensation de Cauchy pour les suites décroissantes.