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Soit bb un nombre réel. On s'intéresse à la nature de la série de terme général vn=cos(blnn)nv_n = \frac{\cos(b \ln n)}{n} pour n1n \geq 1.

  1. On pose, pour tout n1n \geq 1, un=nn+1cos(blnt)tdtu_n = \int_n^{n+1} \frac{\cos(b \ln t)}{t} dt. Déterminer la nature de la série un\sum u_n.
  2. Établir l'égalité suivante pour tout n1n \geq 1 :
    unvn=nn+1(tn1)cos(blnt)+bsin(blnt)t2dtu_n - v_n = \int_n^{n+1} (t-n-1) \frac{\cos(b \ln t) + b \sin (b \ln t)}{t^2} dt
  3. En déduire la nature de la série vn\sum v_n selon les valeurs de bb.
  4. De manière générale, donner la nature de la série de Riemann complexe n11nz\sum_{n \geq 1} \frac{1}{n^z}zCz \in \mathbb{C}. On rappelle que nz=exp(zlnn)n^z = \exp(z \ln n).

1.

Pour la question 1, calculer explicitement l'intégrale définissant unu_n et étudier la limite de ses sommes partielles (télescopage).

2.

Pour la question 2, effectuer une intégration par parties sur unu_n.

3.

Pour la question 3, utiliser une majoration de la valeur absolue de l'intégrale trouvée en (b) pour montrer que unvnu_n - v_n est le terme général d'une série absolument convergente.

4.

Pour la question 4, séparer les cas Re(z)>1\text{Re}(z) > 1, Re(z)0\text{Re}(z) \leq 0 et 0<Re(z)10 < \text{Re}(z) \leq 1 en utilisant les résultats précédents.

Idées clés

Comparaison série-intégrale par développement asymptotique.

Intégration par parties pour affiner l'erreur de comparaison.

Critère de convergence des séries de Riemann complexes.

Résolution.

  1. Étude de la série un\sum u_n. Si b=0b = 0, alors un=nn+11tdt=ln(n+1)lnnu_n = \int_n^{n+1} \frac{1}{t} dt = \ln(n+1) - \ln n. La somme partielle SN=n=1Nun=ln(N+1)S_N = \sum_{n=1}^N u_n = \ln(N+1) tend vers ++\infty. La série diverge. Si b0b \neq 0, on effectue le calcul direct de la primitive :
    un=[sin(blnt)b]nn+1=sin(bln(n+1))sin(blnn)bu_n = \left[ \frac{\sin(b \ln t)}{b} \right]_n^{n+1} = \frac{\sin(b \ln(n+1)) - \sin(b \ln n)}{b}
    Par télescopage, la somme partielle d'ordre NN est :
    SN=n=1Nun=sin(bln(N+1))sin(bln1)b=sin(bln(N+1))bS_N = \sum_{n=1}^N u_n = \frac{\sin(b \ln(N+1)) - \sin(b \ln 1)}{b} = \frac{\sin(b \ln(N+1))}{b}
    Comme la fonction xsin(bln(x+1))x \mapsto \sin(b \ln(x+1)) n'admet pas de limite en ++\infty (elle oscille indéfiniment entre 1-1 et 11), la suite (SN)(S_N) diverge.
    La seˊrie un diverge pour tout bR.\boxed{\text{La série } \sum u_n \text{ diverge pour tout } b \in \mathbb{R}.}

  2. Relation entre unu_n et vnv_n. Posons f(t)=cos(blnt)tf(t) = \frac{\cos(b \ln t)}{t}. Alors un=nn+1f(t)dtu_n = \int_n^{n+1} f(t) dt et vn=f(n)v_n = f(n). Calculons la dérivée de ff :
    f(t)=btsin(blnt)tcos(blnt)t2=bsin(blnt)+cos(blnt)t2f'(t) = \frac{-\frac{b}{t}\sin(b \ln t) \cdot t - \cos(b \ln t)}{t^2} = - \frac{b \sin(b \ln t) + \cos(b \ln t)}{t^2}
    Effectuons une intégration par parties sur un=nn+11f(t)dtu_n = \int_n^{n+1} 1 \cdot f(t) dt en choisissant ttn1t \mapsto t-n-1 comme primitive de 11 :
    un=[(tn1)f(t)]nn+1nn+1(tn1)f(t)dtu_n = \left[ (t-n-1)f(t) \right]_n^{n+1} - \int_n^{n+1} (t-n-1) f'(t) dt
    un=0(nn1)f(n)nn+1(tn1)f(t)dt=f(n)nn+1(tn1)f(t)dtu_n = 0 - (n-n-1)f(n) - \int_n^{n+1} (t-n-1) f'(t) dt = f(n) - \int_n^{n+1} (t-n-1) f'(t) dt
    En remplaçant f(n)f(n) par vnv_n et f(t)f'(t) par son expression :
    unvn=nn+1(tn1)cos(blnt)+bsin(blnt)t2dt\boxed{u_n - v_n = \int_n^{n+1} (t-n-1) \frac{\cos(b \ln t) + b \sin (b \ln t)}{t^2} dt}

  3. Nature de vn\sum v_n. Pour t[n,n+1]t \in [n, n+1], on a tn11|t-n-1| \leq 1 et par l'inégalité triangulaire :
    cos(blnt)+bsin(blnt)1+b|\cos(b \ln t) + b \sin (b \ln t)| \leq 1 + |b|
    Ainsi, unvnnn+11+bt2dt1+bn2|u_n - v_n| \leq \int_n^{n+1} \frac{1+|b|}{t^2} dt \leq \frac{1+|b|}{n^2}. La série (unvn)\sum (u_n - v_n) est donc absolument convergente. Comme vn=un(unvn)v_n = u_n - (u_n - v_n), la série vn\sum v_n a la même nature que un\sum u_n. D'après la question 1, un\sum u_n diverge, donc :
    La seˊrie cos(blnn)n diverge pour tout bR.\boxed{\text{La série } \sum \frac{\cos(b \ln n)}{n} \text{ diverge pour tout } b \in \mathbb{R}.}

  4. Extension aux séries de Riemann complexes. Soit z=x+iyz = x + iy avec (x,y)R2(x, y) \in \mathbb{R}^2. On a nz=nx|n^{-z}| = n^{-x}. Cas 1 : x>1x > 1. La série converge absolument d'après le critère de Riemann réel. Cas 2 : x0x \leq 0. Le terme général ne tend pas vers 0 (nz1|n^{-z}| \geq 1), la série diverge grossièrement. Cas 3 : x=1x = 1. n1iy=1n(cos(ylnn)isin(ylnn))n^{-1-iy} = \frac{1}{n} (\cos(y \ln n) - i \sin(y \ln n)). D'après la question 3, les parties réelle et imaginaire sont les termes généraux de séries divergentes (sauf pour la partie imaginaire si y=0y=0, mais alors c'est la série harmonique qui diverge). La série diverge. Cas 4 : 0<x<10 < x < 1. On peut généraliser la méthode de la question 2. En comparant nz\sum n^{-z} à 1Ntzdt=[t1z1z]1N\int_1^N t^{-z} dt = [\frac{t^{1-z}}{1-z}]_1^N, on montre que la série diverge car 1x>01-x > 0 implique que le module du terme intégré tend vers l'infini.
    1nz converge si et seulement si Re(z)>1.\boxed{\sum \frac{1}{n^z} \text{ converge si et seulement si } \text{Re}(z) > 1.}

Confusion avec une série alternée pour le cosinus.

Méthode de l'IPP pour le reste de comparaison série-intégrale.