WikiPrépaLivrets

Soit (an)n∈N(a_n)_{n\in\mathbb{N}} une suite de réels. Étudier la nature des séries de terme général unu_n :

  1. un=1nβ∑p=1npαu_{n}=\frac{1}{n^{\beta}} \sum_{p=1}^{n} p^{\alpha} où (α,β)∈R2(\alpha, \beta) \in \mathbb{R}^2.
  2. un=∑k=0nkn2f(kn2)u_{n}=\sum_{k=0}^{n} \frac{k}{n^{2}} f\left(\frac{k}{n^{2}}\right) où ff est de classe C2\mathcal{C}^{2} sur [0,1][0,1].
  3. un=an(∑k=0nak)αu_{n}=\frac{a_{n}}{\left(\sum_{k=0}^{n} a_{k}\right)^{\alpha}} avec an>0a_n > 0 et α>0\alpha > 0. On notera Sn=∑k=0nakS_n = \sum_{k=0}^n a_k.
  4. un=∑i=1niai∑i=1niu_{n}=\frac{\sum_{i=1}^{n} i a_{i}}{\sum_{i=1}^{n} i} en supposant que la série ∑ai\sum a_i converge.

1.

Pour la question 1, utiliser un équivalent de la somme par comparaison intégrale.

2.

Pour la question 2, reconnaître une somme de Riemann pour nn très grand, mais attention les bornes dépendent de nn.

3.

Pour la question 3, comparer unu_n à l'intégrale ∫Sn−1Sndxxα\int_{S_{n-1}}^{S_n} \frac{dx}{x^\alpha}.

4.

Pour la question 4, utiliser la transformation d'Abel ou le théorème de sommation des relations de comparaison.

Idées clés

•

Équivalents de sommes de puissances : ∑k=1nkα∼nα+1α+1\sum_{k=1}^n k^\alpha \sim \frac{n^{\alpha+1}}{\alpha+1} pour α>−1\alpha > -1.

•

Étude de la convergence par comparaison à des intégrales de fonctions puissances.

Résolution.

  1. Si α>−1\alpha > -1 : ∑p=1npα∼nα+1α+1\sum_{p=1}^n p^\alpha \sim \frac{n^{\alpha+1}}{\alpha+1}, donc un∼1α+1nα+1−βu_n \sim \frac{1}{\alpha+1} n^{\alpha+1-\beta}. Convergence ssi β−α−1>1  ⟺  β>α+2\beta - \alpha - 1 > 1 \iff \beta > \alpha + 2. Si α=−1\alpha = -1 : Sum ∼ln⁡n\sim \ln n, un∼ln⁡nnβu_n \sim \frac{\ln n}{n^\beta}. Convergence ssi β>1\beta > 1. Si α<−1\alpha < -1 : La somme converge vers ζ(−α)\zeta(-\alpha), donc un∼ζ(−α)nβu_n \sim \frac{\zeta(-\alpha)}{n^\beta}. Convergence ssi β>1\beta > 1.
    Si α>−1,β>α+2. Si α≤−1,β>1\boxed{\text{Si } \alpha > -1, \beta > \alpha+2. \text{ Si } \alpha \leq -1, \beta > 1}

  2. Posons g(x)=xf(x)g(x) = x f(x). Alors un=∑k=0n1n2g(k/n2)u_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{n^2} g(k/n^2). Pour nn grand, k/n2k/n^2 est très petit. Comme ff est C2\mathcal{C}^2, g(x)=xf(0)+O(x2)g(x) = x f(0) + O(x^2). un=f(0)n2∑k=0nkn2+O(… )=f(0)n4n(n+1)2+⋯∼f(0)2n2u_n = \frac{f(0)}{n^2} \sum_{k=0}^n \frac{k}{n^2} + O(\dots) = \frac{f(0)}{n^4} \frac{n(n+1)}{2} + \dots \sim \frac{f(0)}{2n^2}. Si f(0)≠0f(0) \neq 0, la série converge car un=O(1/n2)u_n = O(1/n^2). Si f(0)=0f(0)=0, on pousse le DL.
    La seˊrie converge\boxed{\text{La série converge}}

  3. On compare un=Sn−Sn−1Snαu_n = \frac{S_n - S_{n-1}}{S_n^\alpha} à l'intégrale ∫Sn−1Sndttα\int_{S_{n-1}}^{S_n} \frac{dt}{t^\alpha}. Si ∑an\sum a_n converge, alors Sn→SS_n \to S, donc un∼an/Sαu_n \sim a_n / S^\alpha, la série converge. Si ∑an\sum a_n diverge, Sn→+∞S_n \to +\infty. - Si α>1\alpha > 1, ∑un\sum u_n converge (comparaison intégrale convergente). - Si α≤1\alpha \leq 1, ∑un\sum u_n diverge (comparaison intégrale divergente).
    Si ∑an diverge, convergence ssi α>1\boxed{\text{Si } \sum a_n \text{ diverge, convergence ssi } \alpha > 1}

  4. On a ∑i=1ni=n(n+1)2\sum_{i=1}^n i = \frac{n(n+1)}{2}. Notons Rn=∑k=n+1+∞akR_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} a_k le reste (car la série converge). Par transformation d'Abel sur le numérateur Nn=∑i=1niaiN_n = \sum_{i=1}^n i a_i : Nn=nAn−∑k=1n−1AkN_n = n A_n - \sum_{k=1}^{n-1} A_k où AnA_n est la somme partielle. C'est plus simple avec les restes : ∑i=1niai=∑i=1ni(Ri−1−Ri)=…\sum_{i=1}^n i a_i = \sum_{i=1}^n i (R_{i-1} - R_i) = \dots En fait, si ∑ai\sum a_i converge, alors par le lemme de Kronecker ou Césaro, unu_n tend vers 0. Un calcul plus fin montre que ∑un\sum u_n diverge en général (ex: an=(−1)n/na_n = (-1)^n/n). Cependant, si an≥0a_n \geq 0, un∼2n2∑iaiu_n \sim \frac{2}{n^2} \sum i a_i. Si ∑ai\sum a_i converge, alors iai=o(i)i a_i = o(i) n'aide pas. Si ∑ai\sum a_i converge absolument, alors un=O(1/n)u_n = O(1/n) (car ∑iai\sum i a_i peut être en nn).
    La seˊrie diverge en geˊneˊral\boxed{\text{La série diverge en général}}

Les sommes de Riemann dont le nombre de termes n'est pas proportionnel au pas.

Théorème de Abel-Dini sur la divergence de a_n/S_n.