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On considère la suite réelle (un)nN(u_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par :

un=0+dx(coshx)nu_n = \int_0^{+\infty} \frac{\mathrm{d}x}{(\cosh x)^n}

  1. Démontrer que pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, l'intégrale unu_n est bien définie.
  2. Déterminer la limite de la suite (un)n1(u_n)_{n \ge 1}.
  3. On considère la série entière n1unzn\sum_{n \ge 1} u_n z^n. Déterminer son rayon de convergence RR.

1.

Pour l'existence, utiliser une comparaison avec une exponentielle décroissante au voisinage de ++\infty.

2.

Pour la limite, appliquer le théorème de convergence dominée en observant la limite simple de la suite de fonctions.

3.

Pour le rayon de convergence, utiliser la minoration cosh(x)ex\cosh(x) \le e^x pour obtenir une borne sur unu_n et étudier la convergence de la série pour z=1z=1.

Idées clés

Théorème de convergence dominée pour l'étude de la limite.

Comparaison séries-intégrales et encadrement pour le rayon de convergence.

Lien entre divergence en un point et borne supérieure du rayon de convergence.

Résolution.

  1. Soit nNn \in \mathbb{N}^*. Posons fn:x1(coshx)nf_n : x \mapsto \frac{1}{(\cosh x)^n}. La fonction fnf_n est continue sur [0,+[[0, +\infty[. Au voisinage de ++\infty, on a cosh(x)=ex+ex2ex2\cosh(x) = \frac{e^x + e^{-x}}{2} \sim \frac{e^x}{2}. Par conséquent :
    fn(x)x+2nenxf_n(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} 2^n e^{-nx}
    Comme n1n \ge 1, la fonction xenxx \mapsto e^{-nx} est intégrable sur [0,+[[0, +\infty[. Par comparaison de fonctions positives, l'intégrale unu_n converge absolument.
    un est bien deˊfinie pour tout nN\boxed{u_n \text{ est bien définie pour tout } n \in \mathbb{N}^*}

  2. Étudions la limite de la suite (un)(u_n) par convergence dominée. Pour tout x>0x > 0, comme cosh(x)>1\cosh(x) > 1, on a :
    limn+1(coshx)n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{(\cosh x)^n} = 0
    Pour x=0x = 0, fn(0)=1f_n(0) = 1. La suite de fonctions (fn)(f_n) converge donc simplement vers la fonction nulle presque partout sur [0,+[[0, +\infty[. De plus, pour tout n1n \ge 1 et tout x[0,+[x \in [0, +\infty[, on a cosh(x)1\cosh(x) \ge 1, donc :
    fn(x)f1(x)=1coshx|f_n(x)| \le f_1(x) = \frac{1}{\cosh x}
    Or, nous avons montré à la question 1 que f1f_1 est intégrable sur [0,+[[0, +\infty[. D'après le théorème de convergence dominée :
    limn+un=0+0dx=0\lim_{n \to +\infty} u_n = \int_0^{+\infty} 0   \mathrm{d}x = 0
    limn+un=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} u_n = 0}

  3. Déterminons le rayon de convergence RR. Puisque la suite (un)(u_n) tend vers 0, elle est bornée. D'après le lemme de Abel, on en déduit que :
    R1R \ge 1
    Cherchons maintenant une minoration de unu_n. Pour tout x0x \ge 0, on a cosh(x)=ex+ex2ex+ex2=ex\cosh(x) = \frac{e^x + e^{-x}}{2} \le \frac{e^x + e^x}{2} = e^x. Ainsi, par décroissance de la fonction puissance négative :
    x0,1(coshx)n1(ex)n=enx\forall x \ge 0,   \frac{1}{(\cosh x)^n} \ge \frac{1}{(e^x)^n} = e^{-nx}
    En intégrant cette inégalité sur [0,+[[0, +\infty[, on obtient :
    un0+enxdx=[enxn]0+=1nu_n \ge \int_0^{+\infty} e^{-nx}   \mathrm{d}x = \left[ \frac{e^{-nx}}{-n} \right]_0^{+\infty} = \frac{1}{n}
    Comme la série 1n\sum \frac{1}{n} diverge (série de Riemann), par comparaison de séries à termes positifs, la série un\sum u_n diverge également. La série entière unzn\sum u_n z^n diverge pour z=1z=1, ce qui implique :
    R1R \le 1
    Par double inégalité, on conclut :
    R=1\boxed{R = 1}

Oublier de justifier l'intégrabilité de la fonction de domination.

La divergence d'une série entière en z=1 implique que son rayon de convergence est inférieur ou égal à 1.