WikiPrépaLivrets

Soit (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} la suite définie par :

un=1(8n+1)(8n+5)u_n = \frac{1}{(8n + 1)(8n + 5)}

  1. Justifier la convergence de la série ∑un\sum u_n.
  2. En utilisant une série entière judicieusement choisie, exprimer la somme S=∑n=0+∞unS = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n sous la forme d'une intégrale d'une fonction rationnelle sur [0,1][0, 1].
  3. Calculer la valeur exacte de SS.

1.

Effectuer une décomposition en éléments simples du terme général unu_n.

2.

Introduire la fonction f(x)=∑n=0+∞unx8n+5f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n x^{8n+5} et exprimer sa dérivée.

3.

Utiliser le théorème de convergence normale ou le théorème d'Abel pour justifier le passage à la limite x→1−x \to 1^-.

4.

Pour le calcul de l'intégrale, décomposer 11+t4\frac{1}{1+t^4} en éléments simples sur R\mathbb{R}.

Idées clés

•

Décomposition en éléments simples pour faire apparaître des termes de séries entières classiques.

•

Lien entre séries numériques et intégrales via les séries entières (intégration terme à terme).

•

Décomposition de t4+1t^4+1 en produit de deux trinômes du second degré.

Résolution.

  1. Convergence de la série. On observe que pour nn au voisinage de +∞+\infty :
    un∼164n2u_n \sim \frac{1}{64n^2}
    Comme la série de Riemann ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} converge, par comparaison de séries à termes positifs, la série ∑un\sum u_n converge.
  2. Représentation intégrale. Commençons par décomposer le terme général en éléments simples :
    un=14(18n+1−18n+5)u_n = \frac{1}{4} \left( \frac{1}{8n+1} - \frac{1}{8n+5} \right)
    Considérons la série entière S(x)=∑n=0+∞x8n+5(8n+1)(8n+5)S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+5}}{(8n+1)(8n+5)}. Son rayon de convergence est 11. D'après le théorème de convergence normale sur [0,1][0, 1] (car ∣unx8n+5∣≤∣un∣|u_n x^{8n+5}| \leq |u_n|), la fonction SS est continue en 11. On a donc :
    S=S(1)=lim⁡x→1−∑n=0+∞x8n+5(8n+1)(8n+5)S = S(1) = \lim_{x \to 1^-} \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+5}}{(8n+1)(8n+5)}
    Pour x∈[0,1[x \in [0, 1[, on peut dériver terme à terme :
    S′(x)=∑n=0+∞x8n+48n+1=x4∑n=0+∞x8n8n+1S'(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+4}}{8n+1} = x^4 \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n}}{8n+1}
    Ceci n'est pas immédiatement intégrable sous une forme simple. Utilisons plutôt la décomposition de unu_n directement. Posons pour x∈[0,1[x \in [0, 1[ :
    f(x)=∑n=0+∞unx8n+5=14(x4∑n=0+∞x8n+18n+1−∑n=0+∞x8n+58n+5)f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n x^{8n+5} = \frac{1}{4} \left( x^4 \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+1}}{8n+1} - \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+5}}{8n+5} \right)
    En dérivant, on obtient pour x∈[0,1[x \in [0, 1[ :
    ddx(∑n=0+∞x8n+18n+1)=∑n=0+∞x8n=11−x8\frac{d}{dx} \left( \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^{8n+1}}{8n+1} \right) = \sum_{n=0}^{+\infty} x^{8n} = \frac{1}{1-x^8}
    ddx(∑n=0+∞x8n+58n+5)=∑n=0+∞x8n+4=x41−x8\frac{d}{dx} \left( \sum_{n=0^{+\infty}} \frac{x^{8n+5}}{8n+5} \right) = \sum_{n=0}^{+\infty} x^{8n+4} = \frac{x^4}{1-x^8}
    Ainsi, en intégrant depuis 00 :
    S(x)=14(x4∫0xdt1−t8−∫0xt4 dt1−t8)S(x) = \frac{1}{4} \left( x^4 \int_0^x \frac{dt}{1-t^8} - \int_0^x \frac{t^4   dt}{1-t^8} \right)
    Par passage à la limite x→1−x \to 1^-, et en regroupant sous une seule intégrale (justifié par la convergence de l'intégrale impropre) :
    S=14∫011−t41−t8 dt=14∫011−t4(1−t4)(1+t4) dtS = \frac{1}{4} \int_0^1 \frac{1-t^4}{1-t^8}   dt = \frac{1}{4} \int_0^1 \frac{1-t^4}{(1-t^4)(1+t^4)}   dt
    On obtient la forme simplifiée :
    S=14∫01dt1+t4\boxed{ S = \frac{1}{4} \int_0^1 \frac{dt}{1+t^4} }
  3. Calcul de la valeur exacte. Décomposons l'intégrande. On sait que t4+1=(t2+1)2−2t2=(t2−2t+1)(t2+2t+1)t^4+1 = (t^2+1)^2 - 2t^2 = (t^2-\sqrt{2}t+1)(t^2+\sqrt{2}t+1). La décomposition en éléments simples est de la forme :
    11+t4=at+bt2+2t+1+ct+dt2−2t+1\frac{1}{1+t^4} = \frac{at+b}{t^2+\sqrt{2}t+1} + \frac{ct+d}{t^2-\sqrt{2}t+1}
    Par parité et identification, on trouve b=d=1/2b=d=1/2 et a=−c=1/(22)a=-c=1/(2\sqrt{2}). D'où :
    11+t4=122(t+2t2+2t+1−t−2t2−2t+1)\frac{1}{1+t^4} = \frac{1}{2\sqrt{2}} \left( \frac{t+\sqrt{2}}{t^2+\sqrt{2}t+1} - \frac{t-\sqrt{2}}{t^2-\sqrt{2}t+1} \right)
    Intégrons chaque terme :
    ∫t+2t2+2t+1 dt=12ln⁡(t2+2t+1)+12arctan⁡(2t+1)\int \frac{t+\sqrt{2}}{t^2+\sqrt{2}t+1}   dt = \frac{1}{2} \ln(t^2+\sqrt{2}t+1) + \frac{1}{\sqrt{2}} \arctan(\sqrt{2}t+1)
    En sommant les contributions, la primitive F(t)F(t) de 11+t4\frac{1}{1+t^4} est :
    F(t)=142ln⁡(t2+2t+1t2−2t+1)+122(arctan⁡(2t+1)+arctan⁡(2t−1))F(t) = \frac{1}{4\sqrt{2}} \ln \left( \frac{t^2+\sqrt{2}t+1}{t^2-\sqrt{2}t+1} \right) + \frac{1}{2\sqrt{2}} \left( \arctan(\sqrt{2}t+1) + \arctan(\sqrt{2}t-1) \right)
    Évaluons entre 0 et 1 :
    F(1)=142ln⁡(2+22−2)+122(arctan⁡(2+1)+arctan⁡(2−1))F(1) = \frac{1}{4\sqrt{2}} \ln \left( \frac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}} \right) + \frac{1}{2\sqrt{2}} \left( \arctan(\sqrt{2}+1) + \arctan(\sqrt{2}-1) \right)
    On utilise les relations : 2+22−2=(2+2)22=3+22=(1+2)2\frac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}} = \frac{(2+\sqrt{2})^2}{2} = 3 + 2\sqrt{2} = (1+\sqrt{2})^2. Et arctan⁡(2+1)=3π8\arctan(\sqrt{2}+1) = \frac{3\pi}{8}, arctan⁡(2−1)=π8\arctan(\sqrt{2}-1) = \frac{\pi}{8}. Leur somme vaut π2\frac{\pi}{2}. L'intégrale vaut donc :
    I=122ln⁡(1+2)+π42I = \frac{1}{2\sqrt{2}} \ln(1+\sqrt{2}) + \frac{\pi}{4\sqrt{2}}
    Finalement, n'oublions pas le facteur 1/41/4 :
    S=182ln⁡(1+2)+π162\boxed{ S = \frac{1}{8\sqrt{2}} \ln(1+\sqrt{2}) + \frac{\pi}{16\sqrt{2}} }

Justification du passage à la limite x -> 1 dans la somme.

Méthode de calcul de sommes de séries rationnelles via des intégrales de fractions rationnelles.