Avertissement
Ce contenu a été généré par une intelligence artificielle (LLM) et peut contenir des imprécisions ou des erreurs malgré notre relecture attentive. Il s'agit d'un outil d'apprentissage et non d'une référence académique.
Si vous constatez des erreurs, merci de nous les signaler via la page "À propos".
Séries Numériques (suite) - preuves (A)
Convergence de l'intégrale de Riemann en
Montrer que l'intégrale généralisée converge si et seulement si .
Indice
Utilisez la définition de l'intégrale généralisée sur un intervalle non borné : calculez l'intégrale sur un segment , puis étudiez la limite de ce résultat lorsque tend vers .
Vous devrez distinguer le cas des cas pour le calcul de la primitive.
Solution
Soit définie sur . La fonction est continue sur cet intervalle.
On étudie la limite .
Étape 1 : Calcul de la primitive pour
Si , une primitive de est .
Étape 2 : Étude de la limite pour
On cherche .
-
Si : Alors . On peut écrire . Puisque , .
Dans ce cas, . La limite est finie, l'intégrale converge.
-
Si : Alors .
Dans ce cas, . L'intégrale diverge.
Étape 3 : Étude du cas
Si , la fonction est . Une primitive est .
Or, . L'intégrale diverge.
Conclusion :
L'intégrale admet une limite finie si et seulement si .
Relation de Chasles pour les intégrales généralisées
Soit une fonction continue par morceaux sur . Montrer que pour tout , l'intégrale converge si et seulement si converge.
Indice
Utilisez la relation de Chasles sur un segment fini (où ), puis passez à la limite. Rappelez-vous que l'intégrale sur le segment fini est une constante bien définie.
Solution
Soit un réel tel que .
Puisque est continue par morceaux, l'intégrale sur le segment existe. D'après la relation de Chasles pour l'intégrale de Riemann classique :
Étape 1 : Passage à la limite
On cherche à faire tendre vers .
Le terme est une intégrale sur un intervalle fermé et borné d'une fonction continue par morceaux. C'est donc une constante réelle (elle ne dépend pas de ).
L'égalité devient :
où et .
Étape 2 : Analyse de la convergence
- Si existe et vaut une valeur finie , alors existe et vaut .
- Si existe et vaut une valeur finie , alors existe et vaut .
Conclusion :
L'existence (et la finitude) de la limite de est équivalente à l'existence de la limite de . Les deux intégrales généralisées sont donc de même nature.
Encadrement fondamental Série-Intégrale
Soit une fonction continue, positive et décroissante sur .
Montrer que pour tout entier :
En déduire que pour tout entier :
Indice
Pour la première inégalité, utilisez la décroissance de la fonction sur l'intervalle pour encadrer par des constantes, puis intégrez cet encadrement.
Pour la seconde partie, il faut sommer les inégalités obtenues pour allant de à (ou ). Faites attention aux indices lors de la sommation (relation de Chasles).
Solution
Étape 1 : Encadrement sur un intervalle unité
La fonction est décroissante sur .
Pour tout (avec entier), on a :
En intégrant cette inégalité par rapport à sur l'intervalle (de longueur 1) :
Puisque et sont constants par rapport à :
Étape 2 : Sommation pour la borne supérieure
Prenons la partie droite de l'inégalité : .
Sommons cette inégalité pour allant de à :
D'après la relation de Chasles, le terme de gauche est .
Donc : .
Étape 3 : Sommation pour la borne inférieure
Prenons la partie gauche de l'inégalité : .
Pour faire apparaître , posons le changement d'indice . L'inégalité devient .
Sommons pour allant de à :
Le membre de gauche est .
Le membre de droite est .
Donc :
Conclusion :
En combinant les résultats, on obtient l'encadrement fondamental :
Convergence de la Série de Riemann par comparaison intégrale
Montrer en utilisant le critère de comparaison série-intégrale que la série converge si et seulement si .
Indice
Associez la série à la fonction . Vérifiez que les hypothèses du critère (continuité, positivité, décroissance) sont respectées.
Utilisez ensuite le résultat de l'intégrale de Riemann.
Solution
Soit pour .
Étape 1 : Vérification des hypothèses
- est continue sur .
- est positive car .
- . Pour et , le signe dépend de .
- Si , est strictement décroissante (hypothèse vérifiée).
- Si , le terme général ne tend pas vers 0, la série diverge grossièrement. (On se concentre donc sur le cas pour l'application du critère).
Étape 2 : Application du critère
Puisque est continue, positive et décroissante pour , le critère de comparaison série-intégrale affirme que et