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Soient (α,β)∈R2(\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^{2}. On considère la suite (un)n≥2(u_n)_{n \geq 2} définie par :

un=(−1)nnα(ln⁡n+1n−1)βu_{n} = (-1)^{n} n^{\alpha} \left( \ln \frac{n+1}{n-1} \right)^{\beta}

Déterminer, selon les valeurs des paramètres réels α\alpha et β\beta, la nature de la série ∑un\sum u_n (divergence, convergence simple ou convergence absolue).

1.

Effectuer un développement asymptotique du terme général unu_n à l'aide d'un développement limité du logarithme.

2.

Étudier la convergence absolue en utilisant les séries de Riemann.

3.

Pour la convergence simple, séparer le terme principal (série alternée) du reste de l'expansion.

4.

Ne pas oublier d'étudier la condition nécessaire de convergence (un→0u_n \to 0).

Idées clés

•

Développement asymptotique pour l'étude des séries à termes quelconques.

•

Utilisation du Critère Spécial des Séries Alternées (CSSA).

•

Comparaison aux séries de Riemann pour la convergence absolue.

Résolution.

  1. Développement asymptotique du terme général.

    Commençons par exprimer l'argument du logarithme sous une forme propice au développement limité :

    n+1n−1=1+1n1−1n\frac{n+1}{n-1} = \frac{1 + \frac{1}{n}}{1 - \frac{1}{n}}

    En utilisant les développements limités usuels de ln⁡(1+x)\ln(1+x) au voisinage de 00 :

    ln⁡(1+1/n1−1/n)=ln⁡(1+1n)−ln⁡(1−1n)\ln\left(\frac{1+1/n}{1-1/n}\right) = \ln\left(1+\frac{1}{n}\right) - \ln\left(1-\frac{1}{n}\right)

    ln⁡(n+1n−1)=(1n+13n3+o(1n3))−(−1n−13n3+o(1n3))\ln\left(\frac{n+1}{n-1}\right) = \left( \frac{1}{n} + \frac{1}{3n^3} + o\left(\frac{1}{n^3}\right) \right) - \left( -\frac{1}{n} - \frac{1}{3n^3} + o\left(\frac{1}{n^3}\right) \right)

    ln⁡(n+1n−1)=2n+23n3+o(1n3)=2n(1+13n2+o(1n2))\ln\left(\frac{n+1}{n-1}\right) = \frac{2}{n} + \frac{2}{3n^3} + o\left(\frac{1}{n^3}\right) = \frac{2}{n} \left( 1 + \frac{1}{3n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right) \right)

    En élevant à la puissance β\beta, nous obtenons :

    (ln⁡n+1n−1)β=2βnβ(1+β3n2+o(1n2))\left( \ln \frac{n+1}{n-1} \right)^{\beta} = \frac{2^{\beta}}{n^{\beta}} \left( 1 + \frac{\beta}{3n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right) \right)

    D'où l'expression de unu_n :

    un=(−1)n2βnβ−α(1+β3n2+o(1n2))u_n = (-1)^n \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}} \left( 1 + \frac{\beta}{3n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right) \right)

  2. Étude de la convergence selon les paramètres.

    Nous pouvons maintenant décomposer unu_n en deux termes :

    un=(−1)n2βnβ−α⏟vn+(−1)nβ2β3nβ−α+2+o(1nβ−α+2)⏟wnu_n = \underbrace{(-1)^n \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}}}_{v_n} + \underbrace{(-1)^n \frac{\beta 2^\beta}{3n^{\beta-\alpha+2}} + o\left(\frac{1}{n^{\beta-\alpha+2}}\right)}_{w_n}

    Cas 1 : β−α≤0\beta - \alpha \leq 0 On observe que ∣un∣∼2βnβ−α|u_n| \sim \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}}. Si β−α≤0\beta - \alpha \leq 0, alors ∣un∣|u_n| ne tend pas vers 00 (il tend vers 2β>02^\beta > 0 ou vers +∞+\infty).

    Si β≤α, la seˊrie diverge grossieˋrement.\boxed{\text{Si } \beta \leq \alpha, \text{ la série diverge grossièrement.}}

    Cas 2 : β−α>1\beta - \alpha > 1 On a ∣un∣∼2βnβ−α|u_n| \sim \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}}. D'après le critère de Riemann, puisque β−α>1\beta - \alpha > 1, la série ∑∣un∣\sum |u_n| converge.

    Si β>α+1, la seˊrie converge absolument.\boxed{\text{Si } \beta > \alpha + 1, \text{ la série converge absolument.}}

    Cas 3 : 0<β−α≤10 < \beta - \alpha \leq 1 Étudions la convergence des deux parties vnv_n et wnw_n :

    • ∑vn\sum v_n est une série alternée de la forme ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n avec an=2βnβ−αa_n = \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}}. Comme β−α>0\beta - \alpha > 0, la suite (an)(a_n) décroît vers 00. D'après le Critère Spécial des Séries Alternées (CSSA), ∑vn\sum v_n converge.
    • Pour le reste wnw_n, on a wn=O(1nβ−α+2)w_n = O\left(\frac{1}{n^{\beta-\alpha+2}}\right). Comme β−α+2>2\beta - \alpha + 2 > 2, la série ∑wn\sum w_n est absolument convergente.
    En tant que somme de deux séries convergentes, ∑un\sum u_n converge. Cependant, elle n'est pas absolument convergente car ∣un∣∼2βnβ−α|u_n| \sim \frac{2^\beta}{n^{\beta-\alpha}} avec β−α≤1\beta-\alpha \leq 1 (série de Riemann divergente).
    Si α<β≤α+1, la seˊrie converge (semi-convergence).\boxed{\text{Si } \alpha < \beta \leq \alpha + 1, \text{ la série converge (semi-convergence).}}

Utiliser l'équivalence pour conclure sur une série alternée sans vérifier la convergence absolue ou le signe constant du reste.

Décomposition par développement asymptotique pour prouver la convergence simple.