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On considère les deux fonctions définies par les sommes de séries suivantes :

f(x)=∑n=1+∞1n(n+x)etg(x)=∑n=1+∞1n(1+nx)f(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(n+x)}   \text{et}   g(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(1+nx)}

  1. Étude de ff :
    1. Déterminer le domaine de définition de ff sur R+∗\mathbb{R}^{+*}.
    2. Déterminer un équivalent de f(x)f(x) lorsque x→+∞x \to +\infty.
  2. Étude de gg :
    1. Justifier la convergence de la série définissant gg pour tout x>0x > 0.
    2. Déterminer un équivalent de g(x)g(x) lorsque x→+∞x \to +\infty.

1.

Pour f(x)f(x), on pourra utiliser une comparaison série-intégrale ou décomposer le terme général en éléments simples pour faire apparaître une somme de type harmonique.

2.

Pour g(x)g(x), on pourra étudier la limite de x⋅g(x)x \cdot g(x) quand x→+∞x \to +\infty en utilisant un théorème de continuité de la somme d'une série de fonctions.

Idées clés

•

Comparaison avec une intégrale pour les comportements en ln⁡(x)\ln(x).

•

Théorème de convergence dominée pour les séries de fonctions (ou continuité de la somme).

•

Décomposition en éléments simples : 1n(n+x)=1x(1n−1n+x)\frac{1}{n(n+x)} = \frac{1}{x} \left( \frac{1}{n} - \frac{1}{n+x} \right).

1. Étude de la fonction ff

  1. Domaine de définition : Soit x>0x > 0. Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on a :
    0≤1n(n+x)≤1n20 \le \frac{1}{n(n+x)} \le \frac{1}{n^2}
    La série ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} est une série de Riemann convergente. Par comparaison de séries à termes positifs, la série définissant f(x)f(x) converge pour tout x>0x > 0.
    Df=R+∗\boxed{D_f = \mathbb{R}^{+*}}

  2. Équivalent en +∞+\infty : Fixons x>0x > 0. La fonction t↦1t(t+x)t \mapsto \frac{1}{t(t+x)} est continue, positive et décroissante sur [1,+∞[[1, +\infty[. Par comparaison série-intégrale, on a :
    ∫1+∞dtt(t+x)≤∑n=1+∞1n(n+x)≤11+x+∫1+∞dtt(t+x)\int_{1}^{+\infty} \frac{dt}{t(t+x)} \le \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(n+x)} \le \frac{1}{1+x} + \int_{1}^{+\infty} \frac{dt}{t(t+x)}
    Calculons l'intégrale I(x)=∫1+∞dtt(t+x)I(x) = \int_{1}^{+\infty} \frac{dt}{t(t+x)}. On décompose en éléments simples : 1t(t+x)=1x(1t−1t+x)\frac{1}{t(t+x)} = \frac{1}{x} \left( \frac{1}{t} - \frac{1}{t+x} \right).
    I(x)=1x[ln⁡(tt+x)]1+∞=1x(0−ln⁡(11+x))=ln⁡(1+x)xI(x) = \frac{1}{x} \left[ \ln\left( \frac{t}{t+x} \right) \right]_{1}^{+\infty} = \frac{1}{x} \left( 0 - \ln\left( \frac{1}{1+x} \right) \right) = \frac{\ln(1+x)}{x}
    D'après l'encadrement précédent :
    ln⁡(1+x)x≤f(x)≤11+x+ln⁡(1+x)x\frac{\ln(1+x)}{x} \le f(x) \le \frac{1}{1+x} + \frac{\ln(1+x)}{x}
    Comme ln⁡(1+x)x∼ln⁡xx\frac{\ln(1+x)}{x} \sim \frac{\ln x}{x} et que 11+x=o(ln⁡xx)\frac{1}{1+x} = o\left( \frac{\ln x}{x} \right), on en déduit par encadrement :
    f(x)∼x→+∞ln⁡xx\boxed{f(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{\ln x}{x}}

2. Étude de la fonction gg

  1. Convergence : Pour x>0x > 0 fixé, 1n(1+nx)∼n→+∞1xn2\frac{1}{n(1+nx)} \underset{n \to +\infty}{\sim} \frac{1}{xn^2}. Comme la série ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} converge, par comparaison de séries à termes positifs, la série définissant g(x)g(x) converge pour tout x>0x > 0.

  2. Équivalent en +∞+\infty : Analysons la quantité x⋅g(x)x \cdot g(x) lorsque x→+∞x \to +\infty :
    x⋅g(x)=∑n=1+∞xn(1+nx)=∑n=1+∞1n(1x+n)x \cdot g(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x}{n(1+nx)} = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(\frac{1}{x} + n)}
    Posons u=1xu = \frac{1}{x}. Lorsque x→+∞x \to +\infty, u→0+u \to 0^+. Considérons la fonction h(u)=∑n=1+∞1n(n+u)h(u) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(n+u)} pour u∈[0,1]u \in [0, 1]. Soit wn(u)=1n(n+u)w_n(u) = \frac{1}{n(n+u)}.
    • Pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, u↦wn(u)u \mapsto w_n(u) est continue sur [0,1][0, 1].
    • Pour tout u∈[0,1]u \in [0, 1], ∣wn(u)∣≤1n2|w_n(u)| \le \frac{1}{n^2}.
    La série de fonctions ∑wn\sum w_n converge normalement, donc uniformément sur [0,1][0, 1]. La somme hh est donc continue sur [0,1][0, 1]. En particulier :
    lim⁡u→0+h(u)=h(0)=∑n=1+∞1n2=π26\lim_{u \to 0^+} h(u) = h(0) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}
    Ainsi, lim⁡x→+∞x⋅g(x)=π26\lim_{x \to +\infty} x \cdot g(x) = \frac{\pi^2}{6}. On en conclut :
    g(x)∼x→+∞π26x\boxed{g(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{\pi^2}{6x}}

Vouloir utiliser la même méthode de comparaison intégrale pour les deux alors qu'une approche par continuité est plus rapide pour la seconde.

Pour un équivalent de somme de série, on teste soit la comparaison intégrale (cas divergeant vers l'infini), soit la continuité de la somme après factorisation du terme prépondérant.