WikiPrépaLivrets

Soit zCz \in \mathbb{C}^*. On considère la suite de produits finis définie par :

Pn(z)=k=1n(1zk)pour nNP_n(z) = \prod_{k=1}^n (1-z^k)   \text{pour } n \in \mathbb{N}^*
et on s'intéresse à la série de terme général un(z)=znPn(z)u_n(z) = z^n P_n(z).

  1. Montrer que pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, on a la relation suivante sur les sommes partielles :
    1+k=1nzkPk(z)=1Pn+1(z)z1 + \sum_{k=1}^n z^k P_k(z) = \frac{1 - P_{n+1}(z)}{z}
  2. En déduire que si zz est une racine de l'unité, alors l'égalité suivante est vérifiée :
    1z=1+n=1+zn(1z)(1z2)(1zn)()\frac{1}{z} = 1 + \sum_{n=1}^{+\infty} z^n (1-z)(1-z^2)\cdots(1-z^n)   (*)

  3. Déterminer l'ensemble des complexes zCz \in \mathbb{C}^* pour lesquels l'égalité ()(*) est licite.

1.

Pour la question 1, procéder par récurrence ou transformer la somme en observant que zn+1Pn=PnPn+1z^{n+1} P_n = P_n - P_{n+1}.

2.

L'égalité ()(*) est vérifiée si et seulement si la suite (Pn(z))nN(P_n(z))_{n \in \mathbb{N}} converge vers 00.

3.

Pour l'étude de la limite de Pn(z)P_n(z), on pourra distinguer les cas z<1|z| < 1, z>1|z| > 1 et z=1|z| = 1. Utiliser la convergence des séries de logarithmes pour le cas z<1|z| < 1.

Idées clés

Relation de récurrence sur les produits PnP_n

Lien entre convergence d'un produit infini et convergence d'une série

Étude de la limite nulle pour une suite de produits

Résolution.

  1. Soit zCz \in \mathbb{C}^*. Notons Sn=1+k=1nzkPk(z)S_n = 1 + \sum_{k=1}^n z^k P_k(z). Remarquons la relation fondamentale entre Pk+1P_{k+1} et PkP_k :
    Pk+1(z)=Pk(z)(1zk+1)=Pk(z)zk+1Pk(z)P_{k+1}(z) = P_k(z)(1 - z^{k+1}) = P_k(z) - z^{k+1}P_k(z)
    On en déduit l'expression du terme de la somme :
    zk+1Pk(z)=Pk(z)Pk+1(z)\boxed{ z^{k+1} P_k(z) = P_k(z) - P_{k+1}(z) }
    Il s'agit d'une forme télescopique. Sommons cette égalité pour kk allant de 11 à nn :
    k=1nzk+1Pk(z)=k=1n(Pk(z)Pk+1(z))=P1(z)Pn+1(z)\sum_{k=1}^n z^{k+1} P_k(z) = \sum_{k=1}^n (P_k(z) - P_{k+1}(z)) = P_1(z) - P_{n+1}(z)
    Comme P1(z)=1zP_1(z) = 1-z, on obtient :
    zk=1nzkPk(z)=1zPn+1(z)z \sum_{k=1}^n z^k P_k(z) = 1 - z - P_{n+1}(z)
    En divisant par z0z \neq 0 et en ajoutant 11 :
    1+k=1nzkPk(z)=1+1zPn+1(z)z=z+1zPn+1(z)z1 + \sum_{k=1}^n z^k P_k(z) = 1 + \frac{1 - z - P_{n+1}(z)}{z} = \frac{z + 1 - z - P_{n+1}(z)}{z}
    On obtient bien :
    1+k=1nzkPk(z)=1Pn+1(z)z\boxed{ 1 + \sum_{k=1}^n z^k P_k(z) = \frac{1 - P_{n+1}(z)}{z} }

  2. Si zz est une racine de l'unité, il existe un entier pNp \in \mathbb{N}^* tel que zp=1z^p = 1. Alors, pour tout npn \ge p, le produit Pn(z)=k=1n(1zk)P_n(z) = \prod_{k=1}^n (1-z^k) contient le facteur (1zp)=0(1-z^p) = 0. Par conséquent, la suite (Pn(z))nN(P_n(z))_{n \in \mathbb{N}} est nulle à partir du rang pp. En passant à la limite dans la relation de la question 1 :
    1+k=1+zkPk(z)=limn+1Pn+1(z)z=10z=1z1 + \sum_{k=1}^{+\infty} z^k P_k(z) = \lim_{n \to +\infty} \frac{1 - P_{n+1}(z)}{z} = \frac{1 - 0}{z} = \frac{1}{z}
    L'égalité ()(*) est donc vérifiée pour toute racine de l'unité.

  3. D'après la question 1, l'égalité ()(*) est vérifiée si et seulement si :
    limn+Pn(z)=0\lim_{n \to +\infty} P_n(z) = 0
    Étudions cette convergence selon les valeurs de zz : Cas z<1|z| < 1 : La série zk\sum z^k converge absolument. D'après le cours sur les produits infinis, comme la série zk\sum |z^k| converge, le produit (1zk)\prod (1-z^k) converge vers une limite complexe LL. De plus, cette limite LL est nulle si et seulement si l'un des facteurs est nul. Comme z<1|z| < 1, on a zk1z^k \neq 1 pour tout k1k \ge 1. Donc L0L \neq 0. Cas z>1|z| > 1 : On a 1zkzk1|1 - z^k| \ge |z|^k - 1. Comme z>1|z| > 1, zk1+|z|^k - 1 \to +\infty. À partir d'un certain rang, 1zk>1|1 - z^k| > 1, donc la suite (Pn(z))(|P_n(z)|) est croissante et ne peut pas tendre vers 00. Cas z=1|z| = 1 : - Si zz est une racine de l'unité, on a vu que Pn(z)0P_n(z) \to 0. - Si zz n'est pas une racine de l'unité, alors pour tout kk, 1zk01-z^k \neq 0. Le produit Pn(z)P_n(z) ne converge pas vers 00. En effet, pour qu'un produit ak\prod a_k converge vers 00, il faut que la série des logarithmes diverge vers -\infty, ou que des termes soient nuls. Ici, 1zk=1eikθ=2sin(kθ/2)|1-z^k| = |1-e^{ik\theta}| = 2|\sin(k\theta/2)|. Ce produit diverge (il n'a pas de limite nulle).

    Conclusion :

    L’eˊgaliteˊ est veˊrifieˊe si et seulement si z est une racine de l’uniteˊ.\boxed{\text{L'égalité est vérifiée si et seulement si } z \text{ est une racine de l'unité.}}

Croire que le produit tend vers 0 dès que le terme général tend vers 0.

Critère de convergence des produits infinis via la convergence absolue de la série des termes.