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Soit nn un entier naturel supérieur ou égal à 22. On définit la suite (Sn)(S_n) par :

Sn=k=1+(1)k1k2n2S_n = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{1 - k^2 n^2}
On s'intéresse également à l'intégrale suivante :
An=0+11+tndtA_n = \int_0^{+\infty} \frac{1}{1 + t^n}   dt

  1. En étudiant le comportement de la suite (n2Sn)(n^2 S_n), déterminer un équivalent de SnS_n lorsque nn tend vers ++\infty. On pourra faire apparaître la valeur ζ(2)=k=1+1k2=π26\zeta(2) = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{1}{k^2} = \frac{\pi^2}{6}.
  2. Déterminer la limite ll de la suite (An)n2(A_n)_{n \ge 2}.
  3. Démontrer l'égalité suivante :
    Anl=01tn2tn1+tndtA_n - l = \int_0^1 \frac{t^{n-2} - t^n}{1 + t^n}   dt
    En déduire que Anl=2SnA_n - l = 2 S_n.
  4. Déterminer la nature de la série de terme général Anl|A_n - l|.

1.

Pour la question 1, utiliser le théorème de convergence dominée pour les séries ou un argument de convergence normale sur tout intervalle de la forme n0,+\llbracket n_0, +\infty \llbracket.

2.

Pour la question 2, effectuer le changement de variable u=1/tu = 1/t sur l'intervalle [1,+[[1, +\infty[ pour ramener l'intégrale sur [0,1][0, 1].

3.

Pour la question 3, développer l'expression 11+tn\frac{1}{1+t^n} en série géométrique et justifier l'interversion somme-intégrale.

Idées clés

Théorème de convergence dominée pour les séries (ou interversion limite-somme).

Changement de variable u=1/tu=1/t pour l'étude asymptotique d'intégrales sur [0,+[[0, +\infty[.

Développement en série entière et intégration terme à terme pour les séries alternées.

Résolution.

  1. Étudions la suite de terme général vk(n)=n2(1)k1k2n2v_k(n) = n^2 \frac{(-1)^k}{1 - k^2 n^2} pour k1k \ge 1. On peut réécrire ce terme sous la forme :
    vk(n)=(1)k1n2k2=(1)k+1k21n2v_k(n) = \frac{(-1)^k}{\frac{1}{n^2} - k^2} = \frac{(-1)^{k+1}}{k^2 - \frac{1}{n^2}}
    Pour tout k1k \ge 1 et n2n \ge 2, on a vk(n)=1k21n21k214=44k21|v_k(n)| = \frac{1}{k^2 - \frac{1}{n^2}} \le \frac{1}{k^2 - \frac{1}{4}} = \frac{4}{4k^2 - 1}. La série 44k21\sum \frac{4}{4k^2 - 1} converge (série de Riemann ou équivalent en 1/k21/k^2). Par convergence normale sur 2,+\llbracket 2, +\infty \llbracket, on peut intervertir la limite et la somme :
    limn+n2Sn=k=1+limn+vk(n)=k=1+(1)k+1k2\lim_{n \to +\infty} n^2 S_n = \sum_{k=1}^{+\infty} \lim_{n \to +\infty} v_k(n) = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{k+1}}{k^2}
    On reconnaît la série de Dirichlet η(2)\eta(2), liée à ζ(2)\zeta(2) par la relation η(s)=(121s)ζ(s)\eta(s) = (1 - 2^{1-s})\zeta(s). Ici, η(2)=(11/2)ζ(2)=12π26=π212\eta(2) = (1 - 1/2)\zeta(2) = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi^2}{6} = \frac{\pi^2}{12}. On en déduit l'équivalent :
    Snn+π212n2\boxed{ S_n \underset{n \to +\infty}{\sim} \frac{\pi^2}{12 n^2} }

  2. La fonction fn:t11+tnf_n : t \mapsto \frac{1}{1+t^n} est continue sur [0,+[[0, +\infty[. Comme n2n \ge 2, fn(t)1tnf_n(t) \sim \frac{1}{t^n} au voisinage de ++\infty, donc fnf_n est intégrable. Effectuons le changement de variable u=1/tu = 1/t sur [1,+[[1, +\infty[ :
    1+dt1+tn=1011+(1/u)n(duu2)=01un21+undu\int_1^{+\infty} \frac{dt}{1+t^n} = \int_1^0 \frac{1}{1+(1/u)^n} \left(-\frac{du}{u^2}\right) = \int_0^1 \frac{u^{n-2}}{1+u^n}   du
    On peut donc écrire AnA_n comme une intégrale sur [0,1][0, 1] :
    An=0111+tndt+01tn21+tndt=011+tn21+tndtA_n = \int_0^1 \frac{1}{1+t^n}   dt + \int_0^1 \frac{t^{n-2}}{1+t^n}   dt = \int_0^1 \frac{1 + t^{n-2}}{1 + t^n}   dt
    Pour t[0,1[t \in [0, 1[, limn+1+tn21+tn=1\lim_{n \to +\infty} \frac{1 + t^{n-2}}{1 + t^n} = 1. De plus, t[0,1],1+tn21+tn2\forall t \in [0, 1], \left| \frac{1 + t^{n-2}}{1 + t^n} \right| \le 2, qui est intégrable sur [0,1][0, 1]. D'après le théorème de convergence dominée :
    l=limn+An=011dt=1\boxed{ l = \lim_{n \to +\infty} A_n = \int_0^1 1   dt = 1 }

  3. En utilisant l'expression de AnA_n trouvée précédemment :
    An1=01(1+tn21+tn1)dt=011+tn2(1+tn)1+tndtA_n - 1 = \int_0^1 \left( \frac{1 + t^{n-2}}{1 + t^n} - 1 \right)   dt = \int_0^1 \frac{1 + t^{n-2} - (1 + t^n)}{1 + t^n}   dt
    An1=01tn2tn1+tndt\boxed{ A_n - 1 = \int_0^1 \frac{t^{n-2} - t^n}{1 + t^n}   dt }
    Pour t[0,1[t \in [0, 1[, on utilise le développement en série géométrique 11+tn=k=0+(1)ktnk\frac{1}{1+t^n} = \sum_{k=0}^{+\infty} (-1)^k t^{nk}. L'intégrande devient :
    tn2tn1+tn=k=0+(1)k(tnk+n2tnk+n)\frac{t^{n-2} - t^n}{1 + t^n} = \sum_{k=0}^{+\infty} (-1)^k \left( t^{nk+n-2} - t^{nk+n} \right)
    Il s'agit d'une série alternée. Notons wk(t)=tnk+n2tnk+n=tnk+n2(1t2)w_k(t) = t^{nk+n-2} - t^{nk+n} = t^{nk+n-2}(1-t^2). Pour t[0,1[t \in [0, 1[, wk(t)0w_k(t) \ge 0 et la suite (wk(t))k(w_k(t))_k décroît vers 0. D'après le critère des séries alternées, le reste RN(t)=k=N+1+(1)kwk(t)R_N(t) = \sum_{k=N+1}^{+\infty} (-1)^k w_k(t) vérifie :
    RN(t)wN+1(t)|R_N(t)| \le w_{N+1}(t)
    En intégrant cette inégalité :
    01tn2tn1+tndtk=0N(1)k01wk(t)dt01wN+1(t)dt\left| \int_0^1 \frac{t^{n-2}-t^n}{1+t^n} dt - \sum_{k=0}^N (-1)^k \int_0^1 w_k(t) dt \right| \le \int_0^1 w_{N+1}(t) dt
    Comme 01wN+1(t)dt=1n(N+1)+n11n(N+1)+n+1N+0\int_0^1 w_{N+1}(t) dt = \frac{1}{n(N+1)+n-1} - \frac{1}{n(N+1)+n+1} \xrightarrow[N \to +\infty]{} 0, on peut intervertir :
    An1=k=0+(1)k01(tnk+n2tnk+n)dtA_n - 1 = \sum_{k=0}^{+\infty} (-1)^k \int_0^1 (t^{nk+n-2} - t^{nk+n})   dt
    Chaque intégrale vaut :
    01(tnk+n2tnk+n)dt=1nk+n11nk+n+1=2(n(k+1))21\int_0^1 (t^{nk+n-2} - t^{nk+n})   dt = \frac{1}{nk+n-1} - \frac{1}{nk+n+1} = \frac{2}{(n(k+1))^2 - 1}
    D'où :
    An1=k=0+2(1)kn2(k+1)21A_n - 1 = \sum_{k=0}^{+\infty} \frac{2(-1)^k}{n^2(k+1)^2 - 1}
    En posant le changement d'indice j=k+1j = k+1 :
    An1=j=1+2(1)j1n2j21=2j=1+(1)j1n2j2=2SnA_n - 1 = \sum_{j=1}^{+\infty} \frac{2(-1)^{j-1}}{n^2 j^2 - 1} = 2 \sum_{j=1}^{+\infty} \frac{(-1)^j}{1 - n^2 j^2} = 2 S_n
    On a bien :
    Anl=2Sn\boxed{ A_n - l = 2 S_n }

  4. D'après la question 1, Anl=2Snπ26n2|A_n - l| = 2|S_n| \sim \frac{\pi^2}{6n^2}. On reconnaît le terme général d'une série de Riemann convergente (exposant 2>12 > 1). Conclusion : La série Anl\sum |A_n - l| est \boxed{\text{convergente}}.

Justification de l'interversion somme-intégrale aux bornes de l'intervalle.

Transformation d'intégrale par u=1/t pour l'étude asymptotique.