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On considère la suite (sn)nN(s_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par les sommes partielles de la série harmonique alternée :

sn=k=1n(1)k+1ks_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{(-1)^{k+1}}{k}

On définit alors la suite (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}^*} par le terme général :

un=ln(esn1)u_{n} = \ln \left(e^{s_{n}}-1\right)

Étudier la nature de la série de terme général unu_n.

1.

Commencer par déterminer la limite de sns_n pour s'assurer que unu_n est bien défini pour nn assez grand et tend vers 0.

2.

Introduire le reste rn=ln2snr_n = \ln 2 - s_n et utiliser ses propriétés (signe alterné, décroissance du module).

3.

Effectuer un développement asymptotique de unu_n à l'ordre 2 en fonction de rnr_n.

4.

Conclure sur la convergence en étudiant séparément les termes du développement.

Idées clés

Utilisation du reste d'une série alternée : rn=k=n+1+(1)k+1kr_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{(-1)^{k+1}}{k}.

Développement limité de la fonction exponentielle et du logarithme au voisinage de 0.

Critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence de rn\sum r_n.

Étape 1 : Étude de la limite de unu_n.

Il est classique que la série harmonique alternée converge vers ln2\ln 2 :

limn+sn=k=1+(1)k+1k=ln2\lim_{n \to +\infty} s_n = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{k+1}}{k} = \ln 2

Par continuité des fonctions exponentielle et logarithme, on en déduit :

limn+un=ln(eln21)=ln(21)=0\lim_{n \to +\infty} u_n = \ln(e^{\ln 2} - 1) = \ln(2-1) = 0

La condition nécessaire de convergence est donc vérifiée.

Étape 2 : Introduction du reste rnr_n.

Posons rn=ln2snr_n = \ln 2 - s_n. On peut exprimer ce reste sous forme intégrale :

ln2=0111+tdtetsn=011(t)n1+tdt\ln 2 = \int_0^1 \frac{1}{1+t} \mathrm{d}t   \text{et}   s_n = \int_0^1 \frac{1 - (-t)^n}{1+t} \mathrm{d}t

On obtient ainsi :

rn=01(t)n1+tdt=(1)n01tn1+tdtr_n = \int_0^1 \frac{(-t)^n}{1+t} \mathrm{d}t = (-1)^n \int_0^1 \frac{t^n}{1+t} \mathrm{d}t

Soit vn=01tn1+tdtv_n = \int_0^1 \frac{t^n}{1+t} \mathrm{d}t. On vérifie aisément que :

  1. vn0v_n \geq 0 pour tout nn.
  2. (vn)(v_n) est décroissante car tn+1tnt^{n+1} \leq t^n sur [0,1][0, 1].
  3. vn0v_n \to 0 par le théorème de convergence dominée (ou par encadrement 0vn1n+10 \leq v_n \leq \frac{1}{n+1}).

D'après le critère spécial des séries alternées, la série (1)nvn\sum (-1)^n v_n converge.

rn est convergente.\boxed{\sum r_n \text{ est convergente.}}

Étape 3 : Développement asymptotique de unu_n.

On écrit sn=ln2rns_n = \ln 2 - r_n. Alors :

esn=eln2ern=2erne^{s_n} = e^{\ln 2} e^{-r_n} = 2 e^{-r_n}

Utilisons le développement limité de exe^x au voisinage de 00 :

ern=1rn+12rn2+o(rn2)e^{-r_n} = 1 - r_n + \frac{1}{2}r_n^2 + o(r_n^2)

On en déduit :

esn1=2(1rn+12rn2+o(rn2))1=12rn+rn2+o(rn2)e^{s_n} - 1 = 2 \left( 1 - r_n + \frac{1}{2}r_n^2 + o(r_n^2) \right) - 1 = 1 - 2r_n + r_n^2 + o(r_n^2)

Appliquons maintenant le développement limité de ln(1+X)\ln(1+X) avec X=2rn+rn2+o(rn2)X = -2r_n + r_n^2 + o(r_n^2) :

un=ln(12rn+rn2+o(rn2))=(2rn+rn2)12(2rn+rn2)2+o(rn2)u_n = \ln(1 - 2r_n + r_n^2 + o(r_n^2)) = (-2r_n + r_n^2) - \frac{1}{2}(-2r_n + r_n^2)^2 + o(r_n^2)

En simplifiant les termes d'ordre supérieur à 2 :

un=2rn+rn212(4rn2)+o(rn2)u_n = -2r_n + r_n^2 - \frac{1}{2}(4r_n^2) + o(r_n^2)
un=2rnrn2+o(rn2)\boxed{u_n = -2r_n - r_n^2 + o(r_n^2)}

Étape 4 : Conclusion sur la nature de la série.

  • (2rn)\sum (-2r_n) converge d'après l'étude précédente (série alternée).
  • On sait que vn12nv_n \sim \frac{1}{2n} (par intégration par parties ou convergence dominée sur nvnn v_n), donc rn214n2r_n^2 \sim \frac{1}{4n^2}.
  • La série rn2\sum r_n^2 converge donc absolument par comparaison avec une série de Riemann.
  • Le reste du développement wn=o(rn2)w_n = o(r_n^2) est tel que wn\sum w_n converge absolument.

Par somme de séries convergentes :

La seˊrie un est convergente.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ est convergente.}}

Nécessité d'un développement à l'ordre 2 pour les séries semi-convergentes.

Passage par le reste r_n pour les études de séries dépendant de sommes partielles convergentes.