Étape 1 : Étude de la limite de un.
Il est classique que la série harmonique alternée converge vers ln2 :
n→+∞limsn=k=1∑+∞k(−1)k+1=ln2 Par continuité des fonctions exponentielle et logarithme, on en déduit :
n→+∞limun=ln(eln2−1)=ln(2−1)=0 La condition nécessaire de convergence est donc vérifiée.
Étape 2 : Introduction du reste rn.
Posons rn=ln2−sn. On peut exprimer ce reste sous forme intégrale :
ln2=∫011+t1dtetsn=∫011+t1−(−t)ndt On obtient ainsi :
rn=∫011+t(−t)ndt=(−1)n∫011+ttndt Soit vn=∫011+ttndt. On vérifie aisément que :
- vn≥0 pour tout n.
- (vn) est décroissante car tn+1≤tn sur [0,1].
- vn→0 par le théorème de convergence dominée (ou par encadrement 0≤vn≤n+11).
D'après le critère spécial des séries alternées, la série ∑(−1)nvn converge.
∑rn est convergente. Étape 3 : Développement asymptotique de un.
On écrit sn=ln2−rn. Alors :
esn=eln2e−rn=2e−rn Utilisons le développement limité de ex au voisinage de 0 :
e−rn=1−rn+21rn2+o(rn2) On en déduit :
esn−1=2(1−rn+21rn2+o(rn2))−1=1−2rn+rn2+o(rn2) Appliquons maintenant le développement limité de ln(1+X) avec X=−2rn+rn2+o(rn2) :
un=ln(1−2rn+rn2+o(rn2))=(−2rn+rn2)−21(−2rn+rn2)2+o(rn2) En simplifiant les termes d'ordre supérieur à 2 :
un=−2rn+rn2−21(4rn2)+o(rn2)
un=−2rn−rn2+o(rn2) Étape 4 : Conclusion sur la nature de la série.
- ∑(−2rn) converge d'après l'étude précédente (série alternée).
- On sait que vn∼2n1 (par intégration par parties ou convergence dominée sur nvn), donc rn2∼4n21.
- La série ∑rn2 converge donc absolument par comparaison avec une série de Riemann.
- Le reste du développement wn=o(rn2) est tel que ∑wn converge absolument.
Par somme de séries convergentes :
La seˊrie ∑un est convergente.