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Soit xx un réel strictement positif. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on définit :

un(x)=n!∏k=1n(x+k)u_n(x) = \frac{n!}{\prod_{k=1}^n (x+k)}

  1. Montrer que pour n→+∞n \to +\infty, on a le développement suivant :
    ln⁡(un+1(x)un(x))=−xn+wn(x)\ln \left( \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right) = -\frac{x}{n} + w_n(x)
    où wn(x)w_n(x) est le terme général d'une série absolument convergente.

  2. On considère la suite (vn)n∈N∗(v_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par vn=∑k=1n1k−ln⁡(n)v_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k} - \ln(n).
    1. Rappeler pourquoi la suite (vn)(v_n) converge vers une limite γ∈[0,1]\gamma \in [0,1].
    2. Si l'on calcule numériquement v10nv_{10n} pour n∈{1,…,10}n \in \{1, \dots, 10\}, quelle conjecture peut-on faire sur la limite ?

  3. Déterminer un équivalent de un(x)u_n(x) sous la forme C/nαC/n^\alpha avec C>0C > 0 et α∈R\alpha \in \mathbb{R}. En déduire la nature de la série ∑un(x)\sum u_n(x) selon les valeurs de xx.

  4. On note S(x)=∑n=1+∞un(x)S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x). Préciser le domaine de définition de SS et calculer explicitement la valeur de S(2)S(2).

1.

Pour la question 1, exprimer le rapport un+1/unu_{n+1}/u_n et utiliser des développements limités à l'ordre 2.

2.

Pour l'équivalent, poser an=nxun(x)a_n = n^x u_n(x) et étudier la nature de la série ∑(ln⁡(an+1)−ln⁡(an))\sum (\ln(a_{n+1}) - \ln(a_n)).

3.

Pour S(2)S(2), simplifier l'expression de un(2)u_n(2) pour faire apparaître une série télescopique.

Idées clés

•

Étude locale du logarithme pour obtenir un développement asymptotique.

•

Lien entre la convergence d'une suite et la convergence de la série des différences.

•

Sommation télescopique pour le calcul explicite.

Résolution.

  1. Calculons le rapport des termes successifs :
    un+1(x)un(x)=(n+1)!∏k=1n+1(x+k)⋅∏k=1n(x+k)n!=n+1x+n+1\frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} = \frac{(n+1)!}{\prod_{k=1}^{n+1} (x+k)} \cdot \frac{\prod_{k=1}^n (x+k)}{n!} = \frac{n+1}{x+n+1}

    Passons au logarithme en factorisant par nn au numérateur et au dénominateur :

    ln⁡(un+1(x)un(x))=ln⁡(1+1n1+x+1n)=ln⁡(1+1n)−ln⁡(1+x+1n)\ln \left( \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right) = \ln \left( \frac{1 + \frac{1}{n}}{1 + \frac{x+1}{n}} \right) = \ln \left( 1 + \frac{1}{n} \right) - \ln \left( 1 + \frac{x+1}{n} \right)

    En effectuant un développement limité à l'ordre 2 quand n→+∞n \to +\infty :

    ln⁡(un+1(x)un(x))=(1n−12n2+o(1n2))−(x+1n−(x+1)22n2+o(1n2))\ln \left( \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right) = \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{2n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right) \right) - \left( \frac{x+1}{n} - \frac{(x+1)^2}{2n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right) \right)

    En regroupant les termes :

    ln⁡(un+1(x)un(x))=−xn+(x+1)2−12n2+o(1n2)\ln \left( \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right) = -\frac{x}{n} + \frac{(x+1)^2 - 1}{2n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right)

    On pose wn(x)=x2+2x2n2+o(1n2)w_n(x) = \frac{x^2+2x}{2n^2} + o\left(\frac{1}{n^2}\right). Comme wn(x)∼Constanten2w_n(x) \sim \frac{Constante}{n^2}, la série ∑wn(x)\sum w_n(x) est absolument convergente. On a bien :

    ln⁡(un+1(x)un(x))=−xn+wn(x)\boxed{ \ln \left( \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right) = -\frac{x}{n} + w_n(x) }

    1. Soit wk=1k−∫kk+1dttw_k = \frac{1}{k} - \int_k^{k+1} \frac{dt}{t}. Par comparaison série-intégrale, la fonction t↦1/tt \mapsto 1/t étant décroissante, on montre que 0≤wk≤1k−1k+10 \leq w_k \leq \frac{1}{k} - \frac{1}{k+1}. La série ∑wk\sum w_k converge par comparaison. Sa somme partielle est ∑k=1n−1wk=∑k=1n−11k−ln⁡(n)\sum_{k=1}^{n-1} w_k = \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{k} - \ln(n), ce qui prouve la convergence de (vn)(v_n). La limite γ≈0,577\gamma \approx 0,577 est la constante d'Euler.

    2. Numériquement, la suite converge assez lentement. Pour n=100n=100, on observerait des valeurs proches de 0,58, ce qui permet de conjecturer une limite comprise entre 0,5 et 0,6.

  2. Cherchons α\alpha tel que la suite an=nαun(x)a_n = n^\alpha u_n(x) converge vers une limite finie non nulle. Étudions la série de terme général cn=ln⁡(an+1)−ln⁡(an)c_n = \ln(a_{n+1}) - \ln(a_n) :
    cn=αln⁡(1+1n)+ln⁡(un+1(x)un(x))c_n = \alpha \ln\left(1 + \frac{1}{n}\right) + \ln\left(\frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)}\right)

    D'après la question 1 :

    cn=α(1n+O(1n2))−xn+wn(x)=α−xn+O(1n2)c_n = \alpha \left( \frac{1}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right) \right) - \frac{x}{n} + w_n(x) = \frac{\alpha - x}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right)

    La série ∑cn\sum c_n converge si et seulement si son terme en 1/n1/n est nul, soit α=x\alpha = x. Dans ce cas, ∑cn\sum c_n converge vers une limite LL. Alors ln⁡(an)\ln(a_n) converge vers LL, donc an→eL=C>0a_n \to e^L = C > 0. On en déduit :

    un(x)∼n→+∞Cnx\boxed{ u_n(x) \underset{n \to +\infty}{\sim} \frac{C}{n^x} }

    Par critère de Riemann, la série ∑un(x)\sum u_n(x) converge si et seulement si x>1x > 1.

  3. Le domaine de définition est DS=]1,+∞[D_S = ]1, +\infty[. Pour x=2x=2, calculons un(2)u_n(2) :
    un(2)=1⋅2⋅3⋯n3⋅4⋅5⋯(n+2)u_n(2) = \frac{1 \cdot 2 \cdot 3 \cdots n}{3 \cdot 4 \cdot 5 \cdots (n+2)}
    Tous les termes du produit se simplifient sauf les deux premiers au numérateur et les deux derniers au dénominateur :
    un(2)=1⋅2(n+1)(n+2)u_n(2) = \frac{1 \cdot 2}{(n+1)(n+2)}

    Par décomposition en éléments simples :

    un(2)=2(1n+1−1n+2)u_n(2) = 2 \left( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} \right)

    La somme partielle est télescopique :

    ∑n=1Nun(2)=2∑n=1N(1n+1−1n+2)=2(12−1N+2)\sum_{n=1}^N u_n(2) = 2 \sum_{n=1}^N \left( \frac{1}{n+1} - \frac{1}{n+2} \right) = 2 \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{N+2} \right)

    En passant à la limite N→+∞N \to +\infty :

    S(2)=1\boxed{ S(2) = 1 }

Vérifier que la limite de l'exponentielle est non nulle pour l'équivalent.

Méthode de la série des logarithmes pour les produits infinis.