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Séries Numériques (suite) - preuves (A)

Convergence de l'intégrale de Riemann en ++\infty

Montrer que l'intégrale généralisée 1+1tαdt\int_1^{+\infty} \frac{1}{t^\alpha} dt converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Indice

Utilisez la définition de l'intégrale généralisée sur un intervalle non borné : calculez l'intégrale sur un segment [1,X][1, X], puis étudiez la limite de ce résultat lorsque XX tend vers ++\infty.

Vous devrez distinguer le cas α=1\alpha = 1 des cas α1\alpha \neq 1 pour le calcul de la primitive.

Solution

Soit f(t)=1tαf(t) = \frac{1}{t^\alpha} définie sur [1,+[[1, +\infty[. La fonction est continue sur cet intervalle.

On étudie la limite I=limX+1X1tαdtI = \lim_{X \to +\infty} \int_1^X \frac{1}{t^\alpha} dt.

Étape 1 : Calcul de la primitive pour α1\alpha \neq 1

Si α1\alpha \neq 1, une primitive de tαt^{-\alpha} est t1α1α\frac{t^{1-\alpha}}{1-\alpha}.

1Xtαdt=[t1α1α]1X=X1α1α11α\int_1^X t^{-\alpha} dt = \left[ \frac{t^{1-\alpha}}{1-\alpha} \right]_1^X = \frac{X^{1-\alpha}}{1-\alpha} - \frac{1}{1-\alpha}

Étape 2 : Étude de la limite pour α1\alpha \neq 1

On cherche limX+X1α\lim_{X \to +\infty} X^{1-\alpha}.

  • Si α>1\alpha > 1 : Alors 1α<01-\alpha < 0. On peut écrire X1α=1Xα1X^{1-\alpha} = \frac{1}{X^{\alpha-1}}. Puisque α1>0\alpha-1 > 0, limX+X1α=0\lim_{X \to +\infty} X^{1-\alpha} = 0.

    Dans ce cas, limX+1Xf(t)dt=011α=1α1\lim_{X \to +\infty} \int_1^X f(t)dt = 0 - \frac{1}{1-\alpha} = \frac{1}{\alpha-1}. La limite est finie, l'intégrale converge.

  • Si α<1\alpha < 1 : Alors 1α>01-\alpha > 0.

    Dans ce cas, limX+X1α=+\lim_{X \to +\infty} X^{1-\alpha} = +\infty. L'intégrale diverge.

Étape 3 : Étude du cas α=1\alpha = 1

Si α=1\alpha = 1, la fonction est 1t\frac{1}{t}. Une primitive est ln(t)\ln(t).

1X1tdt=[ln(t)]1X=ln(X)ln(1)=ln(X)\int_1^X \frac{1}{t} dt = [\ln(t)]_1^X = \ln(X) - \ln(1) = \ln(X)

Or, limX+ln(X)=+\lim_{X \to +\infty} \ln(X) = +\infty. L'intégrale diverge.

Conclusion :

L'intégrale 1+1tαdt\int_1^{+\infty} \frac{1}{t^\alpha} dt admet une limite finie si et seulement si α>1\alpha > 1.

Relation de Chasles pour les intégrales généralisées

Soit ff une fonction continue par morceaux sur [a,+[[a, +\infty[. Montrer que pour tout c>ac > a, l'intégrale a+f(t)dt\int_a^{+\infty} f(t)dt converge si et seulement si c+f(t)dt\int_c^{+\infty} f(t)dt converge.

Indice

Utilisez la relation de Chasles sur un segment fini [a,X][a, X] (où X>cX > c), puis passez à la limite. Rappelez-vous que l'intégrale sur le segment fini [a,c][a, c] est une constante bien définie.

Solution

Soit XX un réel tel que X>c>aX > c > a.

Puisque ff est continue par morceaux, l'intégrale sur le segment [a,X][a, X] existe. D'après la relation de Chasles pour l'intégrale de Riemann classique :

aXf(t)dt=acf(t)dt+cXf(t)dt\int_a^X f(t)dt = \int_a^c f(t)dt + \int_c^X f(t)dt

Étape 1 : Passage à la limite

On cherche à faire tendre XX vers ++\infty.

Le terme acf(t)dt\int_a^c f(t)dt est une intégrale sur un intervalle fermé et borné d'une fonction continue par morceaux. C'est donc une constante réelle KK (elle ne dépend pas de XX).

L'égalité devient :

F(X)=K+G(X)F(X) = K + G(X)

F(X)=aXf(t)dtF(X) = \int_a^X f(t)dt et G(X)=cXf(t)dtG(X) = \int_c^X f(t)dt.

Étape 2 : Analyse de la convergence

  • Si limX+G(X)\lim_{X \to +\infty} G(X) existe et vaut une valeur finie LL, alors limX+F(X)\lim_{X \to +\infty} F(X) existe et vaut K+LK + L.
  • Si limX+F(X)\lim_{X \to +\infty} F(X) existe et vaut une valeur finie MM, alors limX+G(X)\lim_{X \to +\infty} G(X) existe et vaut MKM - K.

Conclusion :

L'existence (et la finitude) de la limite de aXf(t)dt\int_a^X f(t)dt est équivalente à l'existence de la limite de cXf(t)dt\int_c^X f(t)dt. Les deux intégrales généralisées sont donc de même nature.

Encadrement fondamental Série-Intégrale

Soit ff une fonction continue, positive et décroissante sur [1,+[[1, +\infty[.

Montrer que pour tout entier k1k \ge 1 :

f(k+1)kk+1f(t)dtf(k)f(k+1) \le \int_k^{k+1} f(t)dt \le f(k)

En déduire que pour tout entier n1n \ge 1 :

1n+1f(t)dtk=1nf(k)f(1)+1nf(t)dt\int_1^{n+1} f(t)dt \le \sum_{k=1}^n f(k) \le f(1) + \int_1^n f(t)dt

Indice

Pour la première inégalité, utilisez la décroissance de la fonction sur l'intervalle [k,k+1][k, k+1] pour encadrer f(t)f(t) par des constantes, puis intégrez cet encadrement.

Pour la seconde partie, il faut sommer les inégalités obtenues pour kk allant de 11 à nn (ou n1n-1). Faites attention aux indices lors de la sommation (relation de Chasles).

Solution

Étape 1 : Encadrement sur un intervalle unité

La fonction ff est décroissante sur [1,+[[1, +\infty[.

Pour tout t[k,k+1]t \in [k, k+1] (avec kk entier), on a :

ktk+1    f(k+1)f(t)f(k)k \le t \le k+1 \implies f(k+1) \le f(t) \le f(k)

En intégrant cette inégalité par rapport à tt sur l'intervalle [k,k+1][k, k+1] (de longueur 1) :

kk+1f(k+1)dtkk+1f(t)dtkk+1f(k)dt\int_k^{k+1} f(k+1) dt \le \int_k^{k+1} f(t) dt \le \int_k^{k+1} f(k) dt

Puisque f(k)f(k) et f(k+1)f(k+1) sont constants par rapport à tt :

f(k+1)(k+1k)kk+1f(t)dtf(k)(k+1k)f(k+1) \cdot (k+1-k) \le \int_k^{k+1} f(t) dt \le f(k) \cdot (k+1-k)

f(k+1)kk+1f(t)dtf(k)()f(k+1) \le \int_k^{k+1} f(t) dt \le f(k) \quad (\star)

Étape 2 : Sommation pour la borne supérieure

Prenons la partie droite de l'inégalité ()(\star) : kk+1f(t)dtf(k)\int_k^{k+1} f(t) dt \le f(k).

Sommons cette inégalité pour kk allant de 11 à nn :

k=1nkk+1f(t)dtk=1nf(k)\sum_{k=1}^n \int_k^{k+1} f(t) dt \le \sum_{k=1}^n f(k)

D'après la relation de Chasles, le terme de gauche est 1n+1f(t)dt\int_1^{n+1} f(t) dt.

Donc : 1n+1f(t)dtk=1nf(k)\int_1^{n+1} f(t)dt \le \sum_{k=1}^n f(k).

Étape 3 : Sommation pour la borne inférieure

Prenons la partie gauche de l'inégalité ()(\star) : f(k+1)kk+1f(t)dtf(k+1) \le \int_k^{k+1} f(t) dt.

Pour faire apparaître f(k)\sum f(k), posons le changement d'indice j=k+1j = k+1. L'inégalité devient f(j)j1jf(t)dtf(j) \le \int_{j-1}^j f(t)dt.

Sommons pour kk allant de 11 à n1n-1 :

k=1n1f(k+1)k=1n1kk+1f(t)dt\sum_{k=1}^{n-1} f(k+1) \le \sum_{k=1}^{n-1} \int_k^{k+1} f(t) dt

Le membre de gauche est j=2nf(j)=(j=1nf(j))f(1)\sum_{j=2}^n f(j) = \left(\sum_{j=1}^n f(j)\right) - f(1).

Le membre de droite est 1nf(t)dt\int_1^n f(t) dt.

Donc :

k=1nf(k)f(1)1nf(t)dt\sum_{k=1}^n f(k) - f(1) \le \int_1^n f(t) dt

k=1nf(k)f(1)+1nf(t)dt\sum_{k=1}^n f(k) \le f(1) + \int_1^n f(t) dt

Conclusion :

En combinant les résultats, on obtient l'encadrement fondamental :

1n+1f(t)dtk=1nf(k)f(1)+1nf(t)dt\int_1^{n+1} f(t)dt \le \sum_{k=1}^n f(k) \le f(1) + \int_1^n f(t)dt

Convergence de la Série de Riemann par comparaison intégrale

Montrer en utilisant le critère de comparaison série-intégrale que la série n=11nα\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^\alpha} converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Indice

Associez la série à la fonction f(t)=1tαf(t) = \frac{1}{t^\alpha}. Vérifiez que les hypothèses du critère (continuité, positivité, décroissance) sont respectées.

Utilisez ensuite le résultat de l'intégrale de Riemann.

Solution

Soit f(t)=1tαf(t) = \frac{1}{t^\alpha} pour t1t \ge 1.

Étape 1 : Vérification des hypothèses

  • ff est continue sur [1,+[[1, +\infty[.
  • ff est positive car t>0t > 0.
  • f(t)=αtα1f'(t) = -\alpha t^{-\alpha-1}. Pour t1t \ge 1 et αR\alpha \in \mathbb{R}, le signe dépend de α\alpha.
    • Si α>0\alpha > 0, ff est strictement décroissante (hypothèse vérifiée).
    • Si α0\alpha \le 0, le terme général 1/nα1/n^\alpha ne tend pas vers 0, la série diverge grossièrement. (On se concentre donc sur le cas α>0\alpha > 0 pour l'application du critère).

Étape 2 : Application du critère

Puisque ff est continue, positive et décroissante pour α>0\alpha > 0, le critère de comparaison série-intégrale affirme que f(n)\sum f(n) et 1+f(t)dt\int_1^{+\infty} f(t)dt sont de même nature.

Étape 3 : Conclusion via l'intégrale

Nous avons précédemment démontré que 1+1tαdt\int_1^{+\infty} \frac{1}{t^\alpha} dt converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Par conséquent :

  • Si α>1\alpha > 1, la série 1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} converge.
  • Si 0<α10 < \alpha \le 1, la série 1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} diverge.
  • (Rappel : Si α0\alpha \le 0, divergence grossière).

Conclusion : La série de Riemann converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Critère des Équivalents (Cas de la convergence)

Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites à termes strictement positifs. On suppose que unvnu_n \sim v_n quand n+n \to +\infty.

Montrer que si la série vn\sum v_n converge, alors la série un\sum u_n converge.

Indice

Traduisez la définition de l'équivalence unvnu_n \sim v_n : le quotient unvn\frac{u_n}{v_n} tend vers 1.

Cela signifie que pour nn assez grand, unvn\frac{u_n}{v_n} est borné, par exemple majoré par 2.

Utilisez cette majoration pour appliquer le critère de comparaison classique.

Solution

Étape 1 : Traduction de l'équivalence

L'hypothèse unvnu_n \sim v_n signifie que limn+unvn=1\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n}{v_n} = 1.

Par définition de la limite, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un rang NN tel que pour tout nNn \ge N :

1εunvn1+ε1 - \varepsilon \le \frac{u_n}{v_n} \le 1 + \varepsilon

Étape 2 : Majoration

Choisissons ε=1\varepsilon = 1 (ou n'importe quelle valeur positive). Il existe NN tel que pour nNn \ge N :

unvn1+1=2\frac{u_n}{v_n} \le 1 + 1 = 2

Puisque vn>0v_n > 0, on peut multiplier l'inégalité :

un2vnu_n \le 2 v_n

Étape 3 : Comparaison

Nous savons que :

  1. 0<un2vn0 < u_n \le 2 v_n pour nNn \ge N.
  2. La série vn\sum v_n converge par hypothèse.
  3. Par les propriétés de linéarité, la série 2vn\sum 2v_n converge également.

D'après le théorème de comparaison des séries à termes positifs, si la série majorante converge (2vn\sum 2v_n), alors la série majorée (un\sum u_n) converge.

Conclusion :

Si unvnu_n \sim v_n et vn\sum v_n converge, alors un\sum u_n converge.

Critère des Équivalents (Cas de la divergence)

Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites à termes strictement positifs avec unvnu_n \sim v_n.

Montrer que si la série vn\sum v_n diverge, alors la série un\sum u_n diverge.

Indice

Utilisez la même définition de l'équivalence que précédemment, mais intéressez-vous cette fois à la minoration de unvn\frac{u_n}{v_n} pour nn assez grand. Choisissez un ε\varepsilon adéquat (par exemple 1/21/2).

Solution

Étape 1 : Minoration via l'équivalence

Comme limn+unvn=1\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n}{v_n} = 1, choisissons ε=12\varepsilon = \frac{1}{2}.

Il existe un entier NN tel que pour tout nNn \ge N :

112unvn1 - \frac{1}{2} \le \frac{u_n}{v_n}

12unvn\frac{1}{2} \le \frac{u_n}{v_n}

Étape 2 : Comparaison

Puisque vn>0v_n > 0, on a :

12vnun\frac{1}{2} v_n \le u_n

Nous avons les conditions suivantes :

  1. un12vn>0u_n \ge \frac{1}{2} v_n > 0 pour nNn \ge N.
  2. La série vn\sum v_n diverge par hypothèse, donc 12vn\sum \frac{1}{2}v_n diverge aussi.

D'après le théorème de comparaison des séries à termes positifs, si la série minorante diverge vers ++\infty, alors la série minorée (un\sum u_n) diverge également.

Conclusion :

Si unvnu_n \sim v_n et vn\sum v_n diverge, alors un\sum u_n diverge.

Convergence des Séries Alternées (Critère de Leibniz)

Soit une série (1)nbn\sum (-1)^n b_n(bn)(b_n) est une suite de réels.

Montrer que si (bn)(b_n) est décroissante et tend vers 0, alors la série converge.

Indice

Considérez la suite des sommes partielles Sn=k=0n(1)kbkS_n = \sum_{k=0}^n (-1)^k b_k.

Étudiez les deux sous-suites (S2n)(S_{2n}) (termes pairs) et (S2n+1)(S_{2n+1}) (termes impairs).

Montrez que l'une est décroissante, l'autre est croissante, et que leur différence tend vers 0 (suites adjacentes).

Solution

Soit Sn=k=0n(1)kbnS_n = \sum_{k=0}^n (-1)^k b_n.

Étape 1 : Monotonie des sous-suites

Étudions la suite des indices pairs (S2n)(S_{2n}) :

S2n+2S2n=(1)2n+2b2n+2+(1)2n+1b2n+1=b2n+2b2n+1S_{2n+2} - S_{2n} = (-1)^{2n+2}b_{2n+2} + (-1)^{2n+1}b_{2n+1} = b_{2n+2} - b_{2n+1}

Comme la suite (bn)(b_n) est décroissante, b2n+2b2n+1b_{2n+2} \le b_{2n+1}, donc S2n+2S2n0S_{2n+2} - S_{2n} \le 0.

La suite (S2n)(S_{2n}) est décroissante.

Étudions la suite des indices impairs (S2n+1)(S_{2n+1}) :

S2n+3S2n+1=(1)2n+3b2n+3+(1)2n+2b2n+2=b2n+3+b2n+2S_{2n+3} - S_{2n+1} = (-1)^{2n+3}b_{2n+3} + (-1)^{2n+2}b_{2n+2} = -b_{2n+3} + b_{2n+2}

Comme (bn)(b_n) est décroissante, b2n+3b2n+2b_{2n+3} \le b_{2n+2}, donc b2n+2b2n+30b_{2n+2} - b_{2n+3} \ge 0.

La suite (S2n+1)(S_{2n+1}) est croissante.

Étape 2 : Différence des suites

Calculons la différence entre les deux sous-suites :

S2n+1S2n=(1)2n+1b2n+1=b2n+1S_{2n+1} - S_{2n} = (-1)^{2n+1}b_{2n+1} = -b_{2n+1}

Par hypothèse, limn+bn=0\lim_{n \to +\infty} b_n = 0, donc limn+(S2n+1S2n)=0\lim_{n \to +\infty} (S_{2n+1} - S_{2n}) = 0.

Conclusion :

Les suites (S2n)(S_{2n}) et (S2n+1)(S_{2n+1}) sont adjacentes (l'une croît, l'autre décroît, leur différence tend vers 0). Elles convergent donc vers une même limite commune SS.

Comme les sommes partielles paires et impaires convergent vers SS, la suite complète (Sn)(S_n) converge vers SS. La série est convergente.

Majoration de l'erreur pour une Série Alternée

Soit S=n=0(1)nbnS = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n b_n une série alternée satisfaisant le critère de convergence (avec bn0b_n \ge 0, décroissante, vers 0).

Montrer que la valeur absolue du reste Rn=SSnR_n = S - S_n est majorée par le premier terme négligé bn+1b_{n+1}.

C'est-à-dire : SSnbn+1|S - S_n| \le b_{n+1}.

Indice

Utilisez le fait que les suites (S2n)(S_{2n}) et (S2n+1)(S_{2n+1}) sont adjacentes et encadrent la somme totale SS.

Visualisez ou écrivez l'inégalité : pour tout nn, SS est compris entre SnS_n et Sn+1S_{n+1}.

Solution

D'après la preuve précédente sur le critère des séries alternées, les sommes partielles paires (S2p)(S_{2p}) forment une suite décroissante convergeant vers SS, et les sommes partielles impaires (S2p+1)(S_{2p+1}) forment une suite croissante convergeant vers SS.

On a donc l'encadrement pour tout pp :

S2p+1SS2pS_{2p+1} \le S \le S_{2p}

Étape 1 : Cas où nn est pair

Posons n=2pn = 2p. On a S2p+1SS2pS_{2p+1} \le S \le S_{2p}.

Donc SS2pS - S_{2p} est négatif ou nul, et S2p+1S2pSS2p0S_{2p+1} - S_{2p} \le S - S_{2p} \le 0.

En valeur absolue :

SS2p=S2pSS2pS2p+1|S - S_{2p}| = S_{2p} - S \le S_{2p} - S_{2p+1}

Or S2p+1=S2p+(1)2p+1b2p+1=S2pb2p+1S_{2p+1} = S_{2p} + (-1)^{2p+1} b_{2p+1} = S_{2p} - b_{2p+1}.

Donc S2pS2p+1=b2p+1S_{2p} - S_{2p+1} = b_{2p+1}.

Ainsi : Rnbn+1|R_n| \le b_{n+1}.

Étape 2 : Cas où nn est impair

Posons n=2p+1n = 2p+1. On a SnSSn+1S_{n} \le S \le S_{n+1} (car Sn+1S_{n+1} est une somme paire, donc au-dessus de SS).

Donc 0SSnSn+1Sn0 \le S - S_n \le S_{n+1} - S_n.

Or Sn+1Sn=(1)n+1bn+1S_{n+1} - S_n = (-1)^{n+1} b_{n+1}. Comme nn est impair, n+1n+1 est pair, donc (1)n+1=1(-1)^{n+1}=1.

Sn+1Sn=bn+1S_{n+1} - S_n = b_{n+1}.

Ainsi : Rnbn+1|R_n| \le b_{n+1}.

Conclusion :

Dans tous les cas, l'erreur commise en approximant la somme SS par la somme partielle SnS_n est inférieure ou égale à la valeur absolue du premier terme non sommé : Rnbn+1|R_n| \le b_{n+1}.

Sommation par paquets pour une série convergente

Soit un\sum u_n une série convergente de somme SS.

Montrer que la série obtenue en sommant les termes deux par deux, vk\sum v_k avec vk=u2k+u2k+1v_k = u_{2k} + u_{2k+1}, converge également vers SS.

Indice

Exprimez les sommes partielles de la nouvelle série Vm=k=0mvkV_m = \sum_{k=0}^m v_k en fonction des sommes partielles SnS_n de la série originale.

Montrez que la suite (Vm)(V_m) est une sous-suite extraite de (Sn)(S_n).

Solution

Soit Sn=i=0nuiS_n = \sum_{i=0}^n u_i la suite des sommes partielles de la série initiale.

Par hypothèse, limn+Sn=S\lim_{n \to +\infty} S_n = S.

Étape 1 : Expression des sommes partielles des paquets

Considérons la somme partielle VmV_m de la série des paquets pour un entier mm :

Vm=k=0mvk=k=0m(u2k+u2k+1)V_m = \sum_{k=0}^m v_k = \sum_{k=0}^m (u_{2k} + u_{2k+1})

En développant la somme :

Vm=(u0+u1)+(u2+u3)++(u2m+u2m+1)V_m = (u_0 + u_1) + (u_2 + u_3) + \dots + (u_{2m} + u_{2m+1})

On reconnaît exactement la somme partielle de la série originale jusqu'à l'indice 2m+12m+1.

Vm=S2m+1V_m = S_{2m+1}

Étape 2 : Convergence

La suite (Vm)m0(V_m)_{m \ge 0} est donc la suite extraite (S2m+1)m0(S_{2m+1})_{m \ge 0} de la suite (Sn)(S_n).

Dans un espace métrique (comme R\mathbb{R}), si une suite converge vers une limite SS, alors toute sous-suite extraite converge vers la même limite SS.

Comme SnSS_n \to S, alors S2m+1SS_{2m+1} \to S.

Donc VmSV_m \to S.

Conclusion :

La série regroupée par paquets de deux converge vers la même somme que la série initiale.

Divergence de la Série Harmonique (Preuve par l'intégrale)

Montrer que la série n=11n\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} diverge en utilisant une comparaison avec l'intégrale de la fonction t1/tt \mapsto 1/t.

Indice

Utilisez l'inégalité démontrée précédemment : k=1nf(k)1n+1f(t)dt\sum_{k=1}^n f(k) \ge \int_1^{n+1} f(t)dt.

Appliquez-la à la fonction f(t)=1/tf(t) = 1/t et calculez l'intégrale.

Solution

Soit f(t)=1tf(t) = \frac{1}{t}. Cette fonction est continue, positive et décroissante sur [1,+[[1, +\infty[.

Étape 1 : Utilisation de la minoration

Nous avons vu dans la preuve de l'encadrement série-intégrale que :

k=1nf(k)1n+1f(t)dt\sum_{k=1}^n f(k) \ge \int_1^{n+1} f(t)dt

En remplaçant f(t)f(t) par 1/t1/t :

Sn=k=1n1k1n+11tdtS_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k} \ge \int_1^{n+1} \frac{1}{t} dt

Étape 2 : Calcul de l'intégrale

1n+11tdt=[ln(t)]1n+1=ln(n+1)ln(1)=ln(n+1)\int_1^{n+1} \frac{1}{t} dt = [\ln(t)]_1^{n+1} = \ln(n+1) - \ln(1) = \ln(n+1)

Étape 3 : Passage à la limite

On a donc l'inégalité :

Snln(n+1)S_n \ge \ln(n+1)

Or, limn+ln(n+1)=+\lim_{n \to +\infty} \ln(n+1) = +\infty.

Par comparaison, limn+Sn=+\lim_{n \to +\infty} S_n = +\infty.

Conclusion :

La série harmonique diverge vers ++\infty.