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Pour tout entier naturel nNn \in \mathbb{N}^*, on considère la fonction unu_n définie par :

un(x)=(1)nln(1+x21n(x2+2))u_n(x) = (-1)^n \ln\left(1 + \frac{x^2 - 1}{n(x^2 + 2)}\right)

  1. Déterminer le domaine de définition DSD_S de la fonction somme S:xn=1+un(x)S : x \mapsto \sum_{n=1}^{+\infty} u_n(x).
  2. Étudier la continuité de la fonction SS sur DSD_S.
  3. Déterminer la limite de S(x)S(x) lorsque xx tend vers ±\pm \infty.

1.

Pour le domaine de définition, vérifier d'abord que chaque unu_n est bien définie, puis utiliser le critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence de la série.

2.

Pour la continuité, montrer la convergence uniforme sur R\mathbb{R} en utilisant la majoration du reste d'une série alternée.

3.

Pour la limite en l'infini, justifier l'interversion limite-somme. La somme numérique obtenue peut être calculée en utilisant des produits partiels et l'équivalent de Stirling ou les intégrales de Wallis.

Idées clés

Critère spécial des séries alternées (CSSA) pour la convergence simple et uniforme.

Théorème de continuité des séries de fonctions.

Théorème d'interversion limite-somme.

Formule de Stirling pour le calcul de la somme finale.

1. Domaine de définition.

Soit nNn \in \mathbb{N}^* et xRx \in \mathbb{R}. Posons vn(x)=x21n(x2+2)v_n(x) = \frac{x^2 - 1}{n(x^2 + 2)}. Pour que un(x)u_n(x) soit défini, il faut que 1+vn(x)>01 + v_n(x) > 0. Or :

1+x21n(x2+2)=n(x2+2)+x21n(x2+2)=(n+1)x2+2n1n(x2+2)1 + \frac{x^2 - 1}{n(x^2 + 2)} = \frac{n(x^2 + 2) + x^2 - 1}{n(x^2 + 2)} = \frac{(n+1)x^2 + 2n - 1}{n(x^2 + 2)}

Comme n1n \geq 1, on a 2n112n - 1 \geq 1, donc le numérateur est strictement positif pour tout xRx \in \mathbb{R}. Ainsi, chaque fonction unu_n est définie et continue sur R\mathbb{R}.

Étudions la convergence de la série un(x)\sum u_n(x) à xx fixé. Si x2=1x^2 = 1, alors un(x)=0u_n(x) = 0, la série converge. Si x21x^2 \neq 1, effectuons un développement limité quand n+n \to +\infty :

un(x)=(1)n(x21n(x2+2)+O(1n2))=x21x2+2(1)nn+O(1n2)u_n(x) = (-1)^n \left( \frac{x^2 - 1}{n(x^2 + 2)} + O\left(\frac{1}{n^2}\right) \right) = \frac{x^2-1}{x^2+2} \frac{(-1)^n}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right)

La série (1)nn\sum \frac{(-1)^n}{n} converge par le CSSA et la série des restes en O(1/n2)O(1/n^2) converge absolument. On en déduit que la série converge pour tout xRx \in \mathbb{R}.

DS=R\boxed{D_S = \mathbb{R}}

2. Étude de la continuité.

Notons a(x)=x21x2+2a(x) = \frac{x^2 - 1}{x^2 + 2}. On remarque que pour tout xRx \in \mathbb{R}, 1/2a(x)<1-1/2 \leq a(x) < 1. un(x)=(1)nln(1+a(x)n)u_n(x) = (-1)^n \ln(1 + \frac{a(x)}{n}).

Premier cas : x21x^2 \geq 1, soit a(x)[0,1[a(x) \in [0, 1[. Pour tout n1n \geq 1, la suite (un(x))n1=(ln(1+a(x)n))n1(|u_n(x)|)_{n \geq 1} = (\ln(1 + \frac{a(x)}{n}))_{n \geq 1} est positive, décroissante et tend vers 0. D'après le CSSA, le reste Rn(x)R_n(x) vérifie :

Rn(x)un+1(x)ln(1+1n+1)|R_n(x)| \leq |u_{n+1}(x)| \leq \ln\left(1 + \frac{1}{n+1}\right)

Second cas : x2<1x^2 < 1, soit a(x)[1/2,0[a(x) \in [-1/2, 0[. On a un(x)=ln(1+a(x)n)=ln(1+a(x)n)|u_n(x)| = |\ln(1 + \frac{a(x)}{n})| = -\ln(1 + \frac{a(x)}{n}). La fonction tln(1+t)t \mapsto -\ln(1+t) étant décroissante sur ]1,0]]-1, 0], et na(x)nn \mapsto \frac{a(x)}{n} étant croissante vers 0, la suite (un(x))(|u_n(x)|) est décroissante vers 0. Le CSSA s'applique encore :

Rn(x)un+1(x)=ln(1+a(x)n+1)ln(112(n+1))|R_n(x)| \leq |u_{n+1}(x)| = \left| \ln\left(1 + \frac{a(x)}{n+1}\right) \right| \leq \left| \ln\left(1 - \frac{1}{2(n+1)}\right) \right|

Dans les deux cas, le reste RnR_n est majoré par une suite indépendante de xx qui tend vers 0. La série de fonctions converge donc uniformément sur R\mathbb{R}. Comme chaque unu_n est continue sur R\mathbb{R}, la somme SS est continue sur R\mathbb{R}.

SC0(R,R)\boxed{S \in \mathcal{C}^0(\mathbb{R}, \mathbb{R})}

3. Calcul de la limite en l'infini.

Puisque la série converge uniformément sur R\mathbb{R}, nous pouvons intervertir la limite et la somme :

limx±S(x)=n=1+limx±un(x)=n=1+(1)nln(1+1n)\lim_{x \to \pm \infty} S(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \lim_{x \to \pm \infty} u_n(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^n \ln\left(1 + \frac{1}{n}\right)

Calculons les sommes partielles de rang pair S2NS_{2N} de cette série numérique :

S2N=n=12N(1)nln(n+1n)=k=1N(ln(2k2k1)+ln(2k+12k))S_{2N} = \sum_{n=1}^{2N} (-1)^n \ln\left(\frac{n+1}{n}\right) = \sum_{k=1}^N \left( -\ln\left(\frac{2k}{2k-1}\right) + \ln\left(\frac{2k+1}{2k}\right) \right)
S2N=k=1Nln(2k12k2k+12k)=ln(k=1N4k214k2)S_{2N} = \sum_{k=1}^N \ln\left( \frac{2k-1}{2k} \cdot \frac{2k+1}{2k} \right) = \ln\left( \prod_{k=1}^N \frac{4k^2-1}{4k^2} \right)

D'après la formule du produit de Wallis, on sait que k=1+4k24k21=π2\prod_{k=1}^{+\infty} \frac{4k^2}{4k^2-1} = \frac{\pi}{2}. On peut aussi utiliser Stirling :

k=1N(2k1)(2k+1)(2k)2=1335(2N1)(2N+1)22N(N!)2=((2N)!)2(2N+1)24N(N!)4\prod_{k=1}^N \frac{(2k-1)(2k+1)}{(2k)^2} = \frac{1 \cdot 3 \cdot 3 \cdot 5 \dots (2N-1)(2N+1)}{2^{2N} (N!)^2} = \frac{((2N)!)^2 (2N+1)}{2^{4N} (N!)^4}

En utilisant n!2πn(n/e)nn! \sim \sqrt{2\pi n} (n/e)^n, on obtient :

((2N)!)2(2N+1)24N(N!)44πN(2N/e)4N2N24N4π2N2(N/e)4N=8πN24π2N2=2π\frac{((2N)!)^2 (2N+1)}{2^{4N} (N!)^4} \sim \frac{4\pi N (2N/e)^{4N} \cdot 2N}{2^{4N} \cdot 4\pi^2 N^2 (N/e)^{4N}} = \frac{8\pi N^2}{4\pi^2 N^2} = \frac{2}{\pi}

Ainsi, limN+S2N=ln(2/π)\lim_{N \to +\infty} S_{2N} = \ln(2/\pi). La série convergeant, c'est la valeur de sa somme.

limx±S(x)=ln(2π)\boxed{\lim_{x \to \pm \infty} S(x) = \ln\left(\frac{2}{\pi}\right)}

L'interversion limite-somme nécessite impérativement de vérifier la convergence uniforme. Ici, la convergence normale ne fonctionne pas car |u_n(x)| ~ 1/n, dont la série diverge.

Pour une série alternée où le terme général tend vers 0 de façon monotone, la convergence uniforme peut être établie via la majoration du reste.