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Exercices “Séries Numériques (suite)” (B)

Exercise 1: [Theoretical Investigation]

Problem: La fonction Gamma d’Euler est définie pour x>0x>0 par l’intégrale généralisée Γ(x)=0+tx1etdt\Gamma(x) = \int_0^{+\infty} t^{x-1} e^{-t} dt.

  1. Démontrer que cette intégrale converge pour tout x>0x>0.
  2. Établir la relation fonctionnelle Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1) = x\Gamma(x) pour tout x>0x>0.
  3. En déduire que pour tout entier nNn \in \mathbb{N}^*, Γ(n)=(n1)!\Gamma(n) = (n-1)!.
  4. Démontrer que la fonction ln(Γ(x))\ln(\Gamma(x)) est convexe. (Indication: utiliser l’inégalité de Hölder pour les intégrales).
Solution

Method: L’étude de la convergence de l’intégrale se fait en la séparant en deux parties, en 00 et en ++\infty, et en utilisant des critères de comparaison avec des intégrales de Riemann. La relation fonctionnelle s’obtient par intégration par parties. La convexité de ln(Γ(x))\ln(\Gamma(x)) est un résultat classique qui se démontre en calculant la dérivée seconde et en appliquant l’inégalité de Cauchy-Schwarz ou, plus généralement, de Hölder.

Steps:

  1. Convergence de l’intégrale : Soit f(t)=tx1etf(t) = t^{x-1} e^{-t} pour t>0t>0. L’intégrale est impropre en 00 si x1<0x-1 < 0 (i.e., x<1x<1) et en ++\infty. On la sépare en 01f(t)dt+1+f(t)dt\int_0^1 f(t)dt + \int_1^{+\infty} f(t)dt.

    • Au voisinage de 0+0^+: f(t)tx1f(t) \sim t^{x-1}. L’intégrale de Riemann 011t1xdt\int_0^1 \frac{1}{t^{1-x}} dt converge si et seulement si 1x<11-x < 1, c’est-à-dire x>0x>0. Par comparaison, 01f(t)dt\int_0^1 f(t)dt converge pour x>0x>0.

    • Au voisinage de ++\infty: On a limt+t2f(t)=limt+tx+1et=0\lim_{t\to+\infty} t^2 f(t) = \lim_{t\to+\infty} t^{x+1}e^{-t} = 0 par croissance comparée. Donc, il existe A>0A>0 tel que pour t>At>A, t2f(t)<1t^2 f(t) < 1, soit f(t)<1t2f(t) < \frac{1}{t^2}. Comme l’intégrale de Riemann 1+1t2dt\int_1^{+\infty} \frac{1}{t^2} dt converge, par comparaison, 1+f(t)dt\int_1^{+\infty} f(t)dt converge pour tout xRx \in \mathbb{R}.

    En conclusion, l’intégrale Γ(x)\Gamma(x) converge si et seulement si x>0x>0.

  2. Relation fonctionnelle : Soit x>0x>0. On effectue une intégration par parties sur ϵAtxetdt\int_\epsilon^A t^x e^{-t} dt :

    ϵAtxetdt=[tx(et)]ϵAϵAxtx1(et)dt=AxeA+ϵxeϵ+xϵAtx1etdt\int_\epsilon^A t^x e^{-t} dt = \left[ t^x (-e^{-t}) \right]_\epsilon^A - \int_\epsilon^A x t^{x-1} (-e^{-t}) dt = -A^x e^{-A} + \epsilon^x e^{-\epsilon} + x \int_\epsilon^A t^{x-1} e^{-t} dt

    En faisant tendre A+A \to +\infty et ϵ0+\epsilon \to 0^+, on a AxeA0A^x e^{-A} \to 0 et (puisque x>0x>0) ϵxeϵ0\epsilon^x e^{-\epsilon} \to 0. Il reste:

    Γ(x+1)=0+txetdt=x0+tx1etdt=xΓ(x)\Gamma(x+1) = \int_0^{+\infty} t^x e^{-t} dt = x \int_0^{+\infty} t^{x-1} e^{-t} dt = x\Gamma(x)

  3. Valeurs entières : On a Γ(1)=0+etdt=[et]0+=1\Gamma(1) = \int_0^{+\infty} e^{-t} dt = [-e^{-t}]_0^{+\infty} = 1.

    Par récurrence, si Γ(n)=(n1)!\Gamma(n)=(n-1)! pour n1n \ge 1, alors Γ(n+1)=nΓ(n)=n(n1)!=n!\Gamma(n+1) = n\Gamma(n) = n(n-1)! = n!. La propriété est vraie pour tout nNn \in \mathbb{N}^*.

  4. Log-convexité : Pour montrer que g(x)=ln(Γ(x))g(x) = \ln(\Gamma(x)) est convexe, il suffit de montrer que g(x)0g''(x) \ge 0.

    g(x)=Γ(x)Γ(x)=0(lnt)tx1etdt0tx1etdtg'(x) = \frac{\Gamma'(x)}{\Gamma(x)} = \frac{\int_0^\infty (\ln t) t^{x-1} e^{-t} dt}{\int_0^\infty t^{x-1} e^{-t} dt}

    g(x)=Γ(x)Γ(x)(Γ(x))2(Γ(x))2g''(x) = \frac{\Gamma''(x)\Gamma(x) - (\Gamma'(x))^2}{(\Gamma(x))^2}

    Γ(x)=0(lnt)2tx1etdt\Gamma''(x) = \int_0^\infty (\ln t)^2 t^{x-1} e^{-t} dt.

    Donc, g(x)0g''(x) \ge 0 est équivalent à Γ(x)Γ(x)(Γ(x))2\Gamma''(x)\Gamma(x) \ge (\Gamma'(x))^2. C’est-à-dire :

    (0(lnt)2tx1etdt)(0tx1etdt)(0(lnt)tx1etdt)2\left(\int_0^\infty (\ln t)^2 t^{x-1} e^{-t} dt\right) \left(\int_0^\infty t^{x-1} e^{-t} dt\right) \ge \left(\int_0^\infty (\ln t) t^{x-1} e^{-t} dt\right)^2

    Posons μ(t)=tx1etdt\mu(t) = t^{x-1} e^{-t} dt une mesure positive sur R+\mathbb{R}^+. Posons u(t)=lntu(t) = \ln t et v(t)=1v(t)=1. L’inégalité s’écrit (u2dμ)(v2dμ)(uvdμ)2(\int u^2 d\mu)(\int v^2 d\mu) \ge (\int uv d\mu)^2. C’est l’inégalité de Cauchy-Schwarz pour les intégrales. La log-convexité est donc prouvée.

Answer: 1. L’intégrale converge pour x>0x>0. 2. Γ(x+1)=xΓ(x)\Gamma(x+1)=x\Gamma(x). 3. Γ(n)=(n1)!\Gamma(n)=(n-1)!. 4. La fonction ln(Γ(x))\ln(\Gamma(x)) est convexe car sa dérivée seconde, calculée via dérivation sous le signe intégral, est positive en vertu de l’inégalité de Cauchy-Schwarz.

Exercise 2: [Complex Proof]

Problem: Soit (un)nN(u_n)_{n\in\mathbb{N}} et (vn)nN(v_n)_{n\in\mathbb{N}} deux suites à termes strictement positifs. Démontrer le critère de comparaison de Kummer-Bertrand :

Si la série vn\sum v_n converge et s’il existe un rang N0N_0 tel que pour tout nN0n \ge N_0, on a un+1unvn+1vn\frac{u_{n+1}}{u_n} \le \frac{v_{n+1}}{v_n}, alors la série un\sum u_n converge.

Application : En utilisant ce critère avec vn=1/nαv_n = 1/n^{\alpha}, retrouver le critère de Raabe-Duhamel.

Solution

Method: La démonstration du critère de comparaison consiste à montrer que la suite (un/vn)(u_n/v_n) est décroissante à partir d’un certain rang, donc majorée. La convergence de un\sum u_n s’ensuit par comparaison directe. Pour l’application, on choisit une série de Riemann de référence et on traduit l’inégalité par un développement asymptotique.

Steps:

  1. Démonstration du critère : L’inégalité un+1unvn+1vn\frac{u_{n+1}}{u_n} \le \frac{v_{n+1}}{v_n} est équivalente à un+1vn+1unvn\frac{u_{n+1}}{v_{n+1}} \le \frac{u_n}{v_n} pour nN0n \ge N_0.

    Ceci signifie que la suite (wn)nN0(w_n)_{n\ge N_0} définie par wn=un/vnw_n = u_n/v_n est décroissante.

    Étant décroissante, elle est majorée par son premier terme wN0w_{N_0}. Soit M=wN0M = w_{N_0}.

    On a donc pour tout nN0n \ge N_0, 0<un/vnM0 < u_n/v_n \le M, ce qui implique 0<unMvn0 < u_n \le M v_n.

    Puisque la série vn\sum v_n converge, la série Mvn\sum M v_n converge également.

    Par le théorème de comparaison des séries à termes positifs, la série un\sum u_n converge.

  2. Application au critère de Raabe-Duhamel :

    Le critère de Raabe-Duhamel s’intéresse au cas où le critère de d’Alembert est non concluant, i.e., limnun+1un=1\lim_{n\to\infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = 1. On cherche une condition sur le développement asymptotique de ce rapport.

    Posons un+1un=1αn+o(1n)\frac{u_{n+1}}{u_n} = 1 - \frac{\alpha}{n} + o\left(\frac{1}{n}\right).

    Comparons avec une série de Riemann vn\sum v_nvn=1/nβv_n = 1/n^\beta.

    Le rapport pour cette série est vn+1vn=nβ(n+1)β=(1+1n)β=1βn+O(1n2)\frac{v_{n+1}}{v_n} = \frac{n^\beta}{(n+1)^\beta} = \left(1+\frac{1}{n}\right)^{-\beta} = 1 - \frac{\beta}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right).

    Appliquons le critère démontré :

    • Si α>1\alpha > 1, on peut choisir β\beta tel que 1<β<α1 < \beta < \alpha. Alors pour nn assez grand, 1αn+o(1n)<1βn+O(1n2)1 - \frac{\alpha}{n} + o(\frac{1}{n}) < 1 - \frac{\beta}{n} + O(\frac{1}{n^2}). Plus formellement, un+1unvn+1vnβαn<0\frac{u_{n+1}}{u_n} - \frac{v_{n+1}}{v_n} \sim \frac{\beta-\alpha}{n} < 0. Donc pour nn assez grand, un+1unvn+1vn\frac{u_{n+1}}{u_n} \le \frac{v_{n+1}}{v_n}. Comme vn=1/nβ\sum v_n = \sum 1/n^\beta converge (car β>1\beta>1), on en déduit que un\sum u_n converge.
    • Si α<1\alpha < 1, on peut choisir β\beta tel que α<β<1\alpha < \beta < 1. L’inégalité est inversée, un+1unvn+1vn\frac{u_{n+1}}{u_n} \ge \frac{v_{n+1}}{v_n}. Comme vn\sum v_n diverge, on en déduit (par un critère analogue pour la divergence) que un\sum u_n diverge.

    Ceci est l’énoncé du critère de Raabe-Duhamel.

Answer: Le critère est prouvé en montrant que la suite un/vnu_n/v_n est décroissante et majorée. Son application avec les séries de Riemann vn=1/nβv_n = 1/n^\beta permet de retrouver le critère de Raabe-Duhamel : si un+1un=1αn+o(1n)\frac{u_{n+1}}{u_n} = 1 - \frac{\alpha}{n} + o(\frac{1}{n}), alors un\sum u_n converge si α>1\alpha > 1 et diverge si α<1\alpha < 1.

Exercise 3: [Advanced Applications]

Problem: Étudier la nature de la série de terme général un=(nsin(1n))n21e6u_n = \left( n \sin\left(\frac{1}{n}\right) \right)^{n^2} - \frac{1}{\sqrt[6]{e}}.

Solution

Method: Le terme général est une forme indéterminée 11^\infty. La stratégie est d’utiliser la forme exponentielle un=en2ln(nsin(1/n))e1/6u_n = e^{n^2 \ln(n \sin(1/n))} - e^{-1/6} et de réaliser un développement asymptotique très précis du logarithme. La clé est de pousser le développement limité de sin(x)\sin(x) et ln(1u)\ln(1-u) à un ordre suffisant pour déterminer le premier terme non nul du développement de unu_n.

Steps:

  1. Mise en forme exponentielle : On écrit un=eAne1/6u_n = e^{A_n} - e^{-1/6} avec An=n2ln(nsin(1n))A_n = n^2 \ln\left(n \sin\left(\frac{1}{n}\right)\right).

  2. Développement de l’argument du logarithme : Soit x=1/nx = 1/n. Pour nn\to\infty, x0x\to 0.

    sin(x)=xx36+x5120+O(x7)\sin(x) = x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} + O(x^7)

    nsin(1n)=n(1n16n3+1120n5+O(1n7))=116n2+1120n4+O(1n6)n \sin\left(\frac{1}{n}\right) = n \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{6n^3} + \frac{1}{120n^5} + O\left(\frac{1}{n^7}\right)\right) = 1 - \frac{1}{6n^2} + \frac{1}{120n^4} + O\left(\frac{1}{n^6}\right)

  3. Développement du logarithme : On utilise ln(1u)=uu22+O(u3)\ln(1-u) = -u - \frac{u^2}{2} + O(u^3) avec u=16n21120n4+O(1n6)u = \frac{1}{6n^2} - \frac{1}{120n^4} + O\left(\frac{1}{n^6}\right).

    ln(116n2+1120n4+)=(16n21120n4)12(16n2)2+O(1n6)\ln\left(1 - \frac{1}{6n^2} + \frac{1}{120n^4} + \dots\right) = -\left(\frac{1}{6n^2} - \frac{1}{120n^4}\right) - \frac{1}{2}\left(\frac{1}{6n^2}\right)^2 + O\left(\frac{1}{n^6}\right)

    =16n2+1120n4172n4+O(1n6)=16n27360n4+O(1n6)= -\frac{1}{6n^2} + \frac{1}{120n^4} - \frac{1}{72n^4} + O\left(\frac{1}{n^6}\right) = -\frac{1}{6n^2} - \frac{7}{360n^4} + O\left(\frac{1}{n^6}\right)

  4. Développement de l’exposant AnA_n :

    An=n2(16n27360n4+O(1n6))=167360n2+O(1n4)A_n = n^2 \left(-\frac{1}{6n^2} - \frac{7}{360n^4} + O\left(\frac{1}{n^6}\right)\right) = -\frac{1}{6} - \frac{7}{360n^2} + O\left(\frac{1}{n^4}\right)

  5. Développement final de unu_n :

    un=e167360n2+O(1n4)e1/6=e1/6(e7360n2+O(1n4)1)u_n = e^{-\frac{1}{6} - \frac{7}{360n^2} + O(\frac{1}{n^4})} - e^{-1/6} = e^{-1/6} \left( e^{-\frac{7}{360n^2} + O(\frac{1}{n^4})} - 1 \right)

    On utilise ev1ve^v - 1 \sim v pour v0v\to 0.

    une1/6(7360n2)lorsque nu_n \sim e^{-1/6} \left(-\frac{7}{360n^2}\right) \quad \text{lorsque } n\to\infty

  6. Conclusion : unu_n est de signe constant (négatif) à partir d’un certain rang et est équivalent à 7e1/6360n2-\frac{7e^{-1/6}}{360n^2}.

    La série de Riemann 1n2\sum \frac{1}{n^2} converge. Par le critère de comparaison par équivalents pour les séries à termes de signe constant, la série un\sum u_n converge.

Answer: La série un\sum u_n converge. L’équivalent est unn7e163601n2u_n \sim_{n\to\infty} -\frac{7\sqrt[6]{e^{-1}}}{360} \frac{1}{n^2}.

Exercise 4: [Theoretical Investigation]

Problem: La seconde formule de la moyenne pour les intégrales stipule que si f:[a,b]Rf:[a,b] \to \mathbb{R} est une fonction positive, décroissante et de classe C1\mathcal{C}^1, et si g:[a,b]Rg:[a,b] \to \mathbb{R} est continue, alors il existe c[a,b]c \in [a,b] tel que :

abf(t)g(t)dt=f(a)acg(t)dt.\int_a^b f(t)g(t)dt = f(a) \int_a^c g(t)dt.

  1. Démontrer ce théorème. (Indication : introduire G(x)=axg(t)dtG(x) = \int_a^x g(t)dt et intégrer par parties).
  2. En l’appliquant à l’intégrale ABsin(t)tαdt\int_A^B \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt pour 0<α10 < \alpha \le 1, montrer que 1+sin(t)tαdt\int_1^{+\infty} \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt converge.
Solution

Method: La preuve du théorème repose sur une intégration par parties et l’utilisation du théorème des valeurs intermédiaires pour les fonctions continues. L’application à l’intégrale du sinus cardinal généralisé utilise le critère de Cauchy pour la convergence des intégrales impropres.

Steps:

  1. Démonstration du théorème : Soit G(x)=axg(t)dtG(x) = \int_a^x g(t)dt. Par le théorème fondamental de l’analyse, G(x)=g(x)G'(x) = g(x). On intègre par parties :

    abf(t)g(t)dt=abf(t)G(t)dt=[f(t)G(t)]ababf(t)G(t)dt\int_a^b f(t)g(t)dt = \int_a^b f(t)G'(t)dt = [f(t)G(t)]_a^b - \int_a^b f'(t)G(t)dt

    Comme G(a)=0G(a)=0, on obtient :

    abf(t)g(t)dt=f(b)G(b)abf(t)G(t)dt\int_a^b f(t)g(t)dt = f(b)G(b) - \int_a^b f'(t)G(t)dt

    Puisque ff est décroissante, f(t)0f'(t) \le 0, donc f(t)0-f'(t) \ge 0.

    GG est continue sur le compact [a,b][a,b], donc elle atteint son minimum mm et son maximum MM.

    On peut encadrer l’intégrale :

    mab(f(t))dtab(f(t))G(t)dtMab(f(t))dtm \int_a^b (-f'(t))dt \le \int_a^b (-f'(t))G(t)dt \le M \int_a^b (-f'(t))dt

    L’intégrale ab(f(t))dt=[f(t)]ab=f(a)f(b)\int_a^b (-f'(t))dt = -[f(t)]_a^b = f(a) - f(b).

    Donc m(f(a)f(b))abf(t)G(t)dtM(f(a)f(b))m(f(a)-f(b)) \le -\int_a^b f'(t)G(t)dt \le M(f(a)-f(b)).

    En reportant dans l’expression de départ :

    f(b)G(b)+m(f(a)f(b))abf(t)g(t)dtf(b)G(b)+M(f(a)f(b))f(b)G(b) + m(f(a)-f(b)) \le \int_a^b f(t)g(t)dt \le f(b)G(b) + M(f(a)-f(b))

    f(b)M+mf(a)mf(b)abf(t)g(t)dtf(b)m+Mf(a)Mf(b) (car G(b)=M ou m ? non, pas forceˊment)f(b)M + m f(a) - m f(b) \le \int_a^b f(t)g(t)dt \le f(b)m + M f(a) - M f(b) \text{ (car G(b)=M ou m ? non, pas forcément)}

    Reprenons : il existe μ\mu tel que ab(f(t))G(t)dt=μab(f(t))dt=μ(f(a)f(b))\int_a^b (-f'(t))G(t)dt = \mu \int_a^b (-f'(t))dt = \mu (f(a)-f(b)), avec mμMm \le \mu \le M.

    abf(t)g(t)dt=f(b)G(b)+μ(f(a)f(b))=μf(a)+(G(b)μ)f(b)\int_a^b f(t)g(t)dt = f(b)G(b) + \mu(f(a)-f(b)) = \mu f(a) + (G(b)-\mu)f(b)

    Comme ff est positive et décroissante f(a)f(b)0f(a)\ge f(b)\ge 0. La moyenne pondérée (μf(a)+(G(b)μ)f(b))/(f(a)+f(b)f(b))(\mu f(a) + (G(b)-\mu)f(b))/(f(a)+f(b)-f(b)) est compliquée.

    Une approche plus simple : La fonction Φ(x)=f(a)axg(t)dt\Phi(x) = f(a) \int_a^x g(t)dt est continue. On veut montrer que abfg\int_a^b fg est une valeur prise par Φ\Phi. Par le TVI, il suffit de montrer que abfg\int_a^b fg est entre le min et le max de Φ\Phi.

    Avec mG(t)Mm \le G(t) \le M, on a abfg=f(b)G(b)+ab(f)G\int_a^b fg = f(b)G(b) + \int_a^b (-f')G.

    f(b)m+m(f(a)f(b))abfgf(b)M+M(f(a)f(b))f(b)m + m(f(a)-f(b)) \le \int_a^b fg \le f(b)M + M(f(a)-f(b))

    mf(a)abfgMf(a)m f(a) \le \int_a^b fg \le M f(a)

    L’intégrale abfg\int_a^b fg est donc comprise entre f(a)mf(a)m et f(a)Mf(a)M. Comme f(a)0f(a)\ge 0, ceci est compris entre f(a)min[a,b]Gf(a) \min_{[a,b]} G et f(a)max[a,b]Gf(a) \max_{[a,b]} G.

    Par le théorème des valeurs intermédiaires, GG prend toutes les valeurs entre mm et MM. Soit cc tel que G(c)G(c) soit la valeur moyenne. Il existe c[a,b]c \in [a,b] tel que G(c)=1f(a)abf(t)g(t)dtG(c) = \frac{1}{f(a)} \int_a^b f(t)g(t) dt. Ceci prouve le résultat.

  2. Application : On veut montrer la convergence de 1+sin(t)tαdt\int_1^{+\infty} \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt pour 0<α10 < \alpha \le 1.

    On utilise le critère de Cauchy. Soit ε>0\varepsilon > 0. On doit montrer qu’il existe XX tel que pour tout B>A>XB > A > X, ABsin(t)tαdt<ε|\int_A^B \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt| < \varepsilon.

    Posons f(t)=1/tαf(t) = 1/t^\alpha et g(t)=sin(t)g(t) = \sin(t). Pour t[A,B]t \in [A,B] avec A>0A>0, ff est positive, de classe C1\mathcal{C}^1 et décroissante car f(t)=αtα1<0f'(t) = -\alpha t^{-\alpha-1} < 0. gg est continue.

    D’après la seconde formule de la moyenne, il existe c[A,B]c \in [A,B] tel que :

    ABsin(t)tαdt=f(A)Acsin(t)dt=1Aα[cos(t)]Ac=cos(A)cos(c)Aα\int_A^B \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt = f(A) \int_A^c \sin(t) dt = \frac{1}{A^\alpha} [-\cos(t)]_A^c = \frac{\cos(A)-\cos(c)}{A^\alpha}

    On majore la valeur absolue :

    ABsin(t)tαdt=cos(A)cos(c)Aαcos(A)+cos(c)Aα2Aα\left| \int_A^B \frac{\sin(t)}{t^\alpha} dt \right| = \left| \frac{\cos(A)-\cos(c)}{A^\alpha} \right| \le \frac{|\cos(A)|+|\cos(c)|}{A^\alpha} \le \frac{2}{A^\alpha}

    Puisque α>0\alpha > 0, limA+2Aα=0\lim_{A\to+\infty} \frac{2}{A^\alpha} = 0. Donc pour tout ε>0\varepsilon>0, on peut trouver XX tel que si A>XA>X, alors 2Aα<ε\frac{2}{A^\alpha} < \varepsilon.

    Le critère de Cauchy est vérifié, donc l’intégrale converge.

Answer: Le théorème est prouvé par intégration par parties et utilisation du théorème de la valeur intermédiaire. L’application du théorème à ABsinttαdt\int_A^B \frac{\sin t}{t^\alpha}dt donne la majoration AB2Aα|\int_A^B \dots| \le \frac{2}{A^\alpha}, ce qui prouve la convergence de l’intégrale par le critère de Cauchy.

Exercise 5: [Complex Applications]

Problem: Soit la série harmonique alternée S=n=1(1)n+1n=ln(2)S = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}}{n} = \ln(2). Soient p,qNp,q \in \mathbb{N}^*. On considère le réarrangement de cette série où l’on somme pp termes positifs successifs, puis qq termes négatifs successifs.

Sp,q=(1+13++12p1)(12+14++12q)+(12p+1+)S'_{p,q} = \left(1+\frac{1}{3}+\dots+\frac{1}{2p-1}\right) - \left(\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\dots+\frac{1}{2q}\right) + \left(\frac{1}{2p+1}+\dots\right) - \dots

Montrer que cette série réarrangée converge et que sa somme est ln(2)+12ln(pq)\ln(2) + \frac{1}{2} \ln\left(\frac{p}{q}\right).

Solution

Method: La stratégie consiste à analyser la somme partielle SNS'_N de la série réarrangée après un nombre entier de “paquets” (un paquet étant pp termes positifs et qq termes négatifs). Cette somme partielle sera exprimée en fonction des sommes partielles de la série harmonique, Hn=k=1n1/kH_n = \sum_{k=1}^n 1/k. En utilisant le développement asymptotique de Hn=ln(n)+γ+o(1)H_n = \ln(n) + \gamma + o(1), on calcule la limite de SNS'_N.

Steps:

  1. Expression de la somme partielle : Considérons la somme des kk premiers paquets, qui contient kpkp termes positifs et kqkq termes négatifs.

    La somme des kpkp premiers termes positifs est j=1kp12j1\sum_{j=1}^{kp} \frac{1}{2j-1}.

    La somme des kqkq premiers termes négatifs est j=1kq12j-\sum_{j=1}^{kq} \frac{1}{2j}.

    La somme partielle SkS'_k (après kk paquets) est donc :

    Sk=j=1kp12j1j=1kq12jS'_k = \sum_{j=1}^{kp} \frac{1}{2j-1} - \sum_{j=1}^{kq} \frac{1}{2j}

  2. Relation avec la série harmonique HnH_n :

    On exprime la somme des inverses des impairs :

    j=1kp12j1=m=12kp1mm=1kp12m=H2kp12Hkp\sum_{j=1}^{kp} \frac{1}{2j-1} = \sum_{m=1}^{2kp} \frac{1}{m} - \sum_{m=1}^{kp} \frac{1}{2m} = H_{2kp} - \frac{1}{2}H_{kp}

    La somme des inverses des pairs est j=1kq12j=12Hkq\sum_{j=1}^{kq} \frac{1}{2j} = \frac{1}{2} H_{kq}.

    Donc, la somme partielle devient :

    Sk=(H2kp12Hkp)12HkqS'_k = (H_{2kp} - \frac{1}{2}H_{kp}) - \frac{1}{2}H_{kq}

  3. Utilisation du développement asymptotique : On sait que Hn=ln(n)+γ+ϵnH_n = \ln(n) + \gamma + \epsilon_nϵn0\epsilon_n \to 0.

    Sk=(ln(2kp)+γ+ϵ2kp)12(ln(kp)+γ+ϵkp)12(ln(kq)+γ+ϵkq)S'_k = (\ln(2kp) + \gamma + \epsilon_{2kp}) - \frac{1}{2}(\ln(kp) + \gamma + \epsilon_{kp}) - \frac{1}{2}(\ln(kq) + \gamma + \epsilon_{kq})

    Sk=ln(2)+ln(k)+ln(p)+γ12ln(k)12ln(p)12γ12ln(k)12ln(q)12γ+o(1)S'_k = \ln(2) + \ln(k) + \ln(p) + \gamma - \frac{1}{2}\ln(k) - \frac{1}{2}\ln(p) - \frac{1}{2}\gamma - \frac{1}{2}\ln(k) - \frac{1}{2}\ln(q) - \frac{1}{2}\gamma + o(1)

    Les termes en γ\gamma et ln(k)\ln(k) s’annulent : (γ12γ12γ=0)(\gamma - \frac{1}{2}\gamma - \frac{1}{2}\gamma = 0) et (ln(k)12ln(k)12ln(k)=0)(\ln(k) - \frac{1}{2}\ln(k) - \frac{1}{2}\ln(k) = 0).

    Il reste :

    Sk=ln(2)+ln(p)12ln(p)12ln(q)+o(1)S'_k = \ln(2) + \ln(p) - \frac{1}{2}\ln(p) - \frac{1}{2}\ln(q) + o(1)

    Sk=ln(2)+12ln(p)12ln(q)+o(1)=ln(2)+12ln(pq)+o(1)S'_k = \ln(2) + \frac{1}{2}\ln(p) - \frac{1}{2}\ln(q) + o(1) = \ln(2) + \frac{1}{2}\ln\left(\frac{p}{q}\right) + o(1)

  4. Conclusion : La suite des sommes partielles calculées sur des blocs entiers converge vers ln(2)+12ln(p/q)\ln(2) + \frac{1}{2}\ln(p/q). Comme le terme général de la série réarrangée tend vers 0, la somme partielle complète converge vers la même limite.

Answer: La somme de la série réarrangée est ln(2)+12ln(pq)\ln(2) + \frac{1}{2} \ln\left(\frac{p}{q}\right).

Exercise 6: [Theoretical Investigation]

Problem: On considère la suite double (um,n)(u_{m,n}) définie sur N×N\mathbb{N} \times \mathbb{N} par :

um,n={1si m=n1si m=n10sinonu_{m,n} = \begin{cases} 1 & \text{si } m=n \\ -1 & \text{si } m=n-1 \\ 0 & \text{sinon} \end{cases}

  1. Calculer les deux sommes itérées S1=m=0(n=0um,n)S_1 = \sum_{m=0}^\infty \left(\sum_{n=0}^\infty u_{m,n}\right) et S2=n=0(m=0um,n)S_2 = \sum_{n=0}^\infty \left(\sum_{m=0}^\infty u_{m,n}\right).
  2. Les sommes sont-elles égales ? Expliquer pourquoi le théorème de Fubini pour les séries ne s’applique pas ici.
  3. Étudier la convergence et la somme de la série obtenue en sommant sur des “carrés” croissants, i.e., la limite de SN=m=0Nn=0Num,nS_N = \sum_{m=0}^N \sum_{n=0}^N u_{m,n} lorsque NN \to \infty.
Solution

Method: Le calcul des sommes itérées se fait en fixant un indice et en sommant sur l’autre, puis en sommant le résultat. Pour Fubini, on doit vérifier si la famille est sommable, c’est-à-dire si la somme des modules converge. La somme sur les carrés se calcule directement.

Steps:

  1. Calcul des sommes itérées :

    • Calcul de S1S_1 : On fixe mNm \in \mathbb{N}. La somme interne est n=0um,n\sum_{n=0}^\infty u_{m,n}. Les seuls termes non nuls sont pour n=mn=m et n=m+1n=m+1.

      n=0um,n=um,m+um,m+1=1+(1)=0.\sum_{n=0}^\infty u_{m,n} = u_{m,m} + u_{m,m+1} = 1 + (-1) = 0.

      Cette somme est nulle pour tout m0m \ge 0.

      La somme externe est donc S1=m=00=0S_1 = \sum_{m=0}^\infty 0 = 0.

    • Calcul de S2S_2 : On fixe nNn \in \mathbb{N}. La somme interne est m=0um,n\sum_{m=0}^\infty u_{m,n}. Les seuls termes non nuls sont pour m=nm=n et m=n1m=n-1 (si n1n \ge 1).

      • Pour n=0n=0, m=0um,0=u0,0=1\sum_{m=0}^\infty u_{m,0} = u_{0,0} = 1.
      • Pour n1n \ge 1, m=0um,n=un,n+un1,n=1+(1)=0\sum_{m=0}^\infty u_{m,n} = u_{n,n} + u_{n-1,n} = 1 + (-1) = 0.

      La somme externe est donc S2=1+n=10=1S_2 = 1 + \sum_{n=1}^\infty 0 = 1.

  2. Applicabilité du théorème de Fubini :

    On a trouvé S1=0S_1 = 0 et S2=1S_2 = 1. Les sommes itérées ne sont pas égales. Le théorème de Fubini ne peut donc pas s’appliquer.

    Pour que le théorème de Fubini s’applique, la famille (um,n)(u_{m,n}) doit être sommable, c’est-à-dire que (m,n)N2um,n\sum_{(m,n)\in\mathbb{N}^2} |u_{m,n}| doit converger.

    Calculons cette somme :

    m=0(n=0um,n)=m=0(um,m+um,m+1)=m=0(1+1)=m=02=+.\sum_{m=0}^\infty \left(\sum_{n=0}^\infty |u_{m,n}|\right) = \sum_{m=0}^\infty (|u_{m,m}| + |u_{m,m+1}|) = \sum_{m=0}^\infty (1+1) = \sum_{m=0}^\infty 2 = +\infty.

    La famille n’est pas sommable, l’hypothèse principale du théorème de Fubini n’est pas vérifiée.

  3. Sommation par carrés :

    On calcule SN=m=0Nn=0Num,nS_N = \sum_{m=0}^N \sum_{n=0}^N u_{m,n}. On somme les termes non nuls dans le carré [0,N]×[0,N][0,N]\times[0,N].

    Les termes um,m=1u_{m,m}=1 sont dans le carré pour m{0,,N}m \in \{0, \dots, N\}.

    Les termes um,m+1=1u_{m,m+1}=-1 sont dans le carré pour m{0,,N1}m \in \{0, \dots, N-1\} (car il faut m+1Nm+1 \le N).

    SN=m=0Num,m+m=0N1um,m+1=m=0N1+m=0N1(1)=(N+1)N=1.S_N = \sum_{m=0}^N u_{m,m} + \sum_{m=0}^{N-1} u_{m,m+1} = \sum_{m=0}^N 1 + \sum_{m=0}^{N-1} (-1) = (N+1) - N = 1.

    La suite (SN)NN(S_N)_{N\in\mathbb{N}} est constante et égale à 1.

    Donc, limNSN=1\lim_{N\to\infty} S_N = 1.

Answer: 1. S1=0S_1 = 0 et S2=1S_2 = 1. 2. Les sommes sont différentes. Fubini ne s’applique pas car la série des modules um,n\sum |u_{m,n}| diverge. 3. La limite des sommes sur les carrés croissants est limNSN=1\lim_{N\to\infty} S_N = 1.

Exercise 7: [Research-level problems]

Problem: Étudier la nature de la série de terme général un=1nlnn(ln(lnn))αu_n = \frac{1}{n \ln n (\ln(\ln n))^\alpha} pour n3n \ge 3, en fonction du paramètre réel α\alpha. Ces séries sont parfois appelées séries de Du Bois-Reymond.

Solution

Method: La fonction f(t)=1tlnt(ln(lnt))αf(t) = \frac{1}{t \ln t (\ln(\ln t))^\alpha} est continue, positive et décroissante sur [3,+[[3, +\infty[. On peut donc appliquer le critère de comparaison série-intégrale. L’intégrale 3+f(t)dt\int_3^{+\infty} f(t)dt se calcule par un changement de variable.

Steps:

  1. Vérification des hypothèses du critère de comparaison :

    Soit f(t)=1tlnt(ln(lnt))αf(t) = \frac{1}{t \ln t (\ln(\ln t))^\alpha} pour t3t \ge 3.

    • ff est continue et positive.
    • ff est décroissante car c’est l’inverse d’un produit de fonctions croissantes et positives.

    La série un\sum u_n et l’intégrale 3+f(t)dt\int_3^{+\infty} f(t)dt sont donc de même nature.

  2. Calcul de l’intégrale : On étudie 3Xf(t)dt\int_3^X f(t)dt.

    On effectue le changement de variable u=ln(lnt)u = \ln(\ln t).

    Alors du=1lnt1tdtdu = \frac{1}{\ln t} \cdot \frac{1}{t} dt.

    L’intégrale devient :

    ln(ln3)ln(lnX)1uαdu\int_{\ln(\ln 3)}^{\ln(\ln X)} \frac{1}{u^\alpha} du

  3. Discussion selon α\alpha :

    • Cas α=1\alpha = 1 : L’intégrale est ln(ln3)ln(lnX)1udu=[lnu]ln(ln3)ln(lnX)=ln(ln(lnX))ln(ln(ln3))\int_{\ln(\ln 3)}^{\ln(\ln X)} \frac{1}{u} du = [\ln u]_{\ln(\ln 3)}^{\ln(\ln X)} = \ln(\ln(\ln X)) - \ln(\ln(\ln 3)).

      Lorsque X+X \to +\infty, ln(ln(lnX))+\ln(\ln(\ln X)) \to +\infty. L’intégrale diverge.

    • Cas α1\alpha \ne 1 : L’intégrale est ln(ln3)ln(lnX)uαdu=[u1α1α]ln(ln3)ln(lnX)\int_{\ln(\ln 3)}^{\ln(\ln X)} u^{-\alpha} du = \left[ \frac{u^{1-\alpha}}{1-\alpha} \right]_{\ln(\ln 3)}^{\ln(\ln X)}.

      =(ln(lnX))1α(ln(ln3))1α1α= \frac{(\ln(\ln X))^{1-\alpha} - (\ln(\ln 3))^{1-\alpha}}{1-\alpha}

      La limite de cette expression quand X+X \to +\infty dépend du signe de 1α1-\alpha.

      • Si 1α>01-\alpha > 0, i.e., α<1\alpha < 1, alors (ln(lnX))1α+(\ln(\ln X))^{1-\alpha} \to +\infty. L’intégrale diverge.
      • Si 1α<01-\alpha < 0, i.e., α>1\alpha > 1, alors (ln(lnX))1α0(\ln(\ln X))^{1-\alpha} \to 0. L’intégrale converge.
  4. Conclusion :

    L’intégrale 3+f(t)dt\int_3^{+\infty} f(t)dt converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

    Par le critère de comparaison série-intégrale, la série n=31nlnn(ln(lnn))α\sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n \ln n (\ln(\ln n))^\alpha} converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Answer: La série converge si et seulement si α>1\alpha > 1.

Exercise 8: [Advanced Applications]

Problem: On définit la suite (un)n1(u_n)_{n\ge 1} par un=(k=1n1k)lnnu_n = \left(\sum_{k=1}^n \frac{1}{k}\right) - \ln n.

  1. Montrer que la suite (un)(u_n) converge vers une limite γ\gamma, appelée constante d’Euler-Mascheroni.
  2. On pose vn=unγv_n = u_n - \gamma. Donner un équivalent de vnv_n lorsque nn \to \infty.
Solution

Method: Pour la convergence, on étudie la série de terme général un+1unu_{n+1}-u_n et on montre qu’elle converge. Pour l’équivalent du reste vn=k=n+1(ukuk1)v_n = -\sum_{k=n+1}^\infty (u_k-u_{k-1}), on utilise une comparaison série-intégrale pour estimer ce reste.

Steps:

  1. Convergence de (un)(u_n) :

    Étudions le signe de un+1unu_{n+1}-u_n:

    un+1un=(Hn+1ln(n+1))(Hnlnn)=1n+1(ln(n+1)lnn)=1n+1ln(1+1n).u_{n+1} - u_n = \left(H_{n+1} - \ln(n+1)\right) - \left(H_n - \ln n\right) = \frac{1}{n+1} - (\ln(n+1) - \ln n) = \frac{1}{n+1} - \ln\left(1+\frac{1}{n}\right).

    On sait que pour x>0x>0, ln(1+x)<x\ln(1+x) < x. Donc pour x=1/nx=1/n, ln(1+1/n)<1/n\ln(1+1/n) < 1/n. Mais cela ne suffit pas.

    Utilisons le développement limité de ln(1+x)=xx2/2+O(x3)\ln(1+x)=x-x^2/2+O(x^3):

    ln(1+1n)=1n12n2+O(1n3).\ln\left(1+\frac{1}{n}\right) = \frac{1}{n} - \frac{1}{2n^2} + O\left(\frac{1}{n^3}\right).

    un+1un=1n+1(1n12n2+)=n(n+1)n(n+1)+12n2+=1n(n+1)+12n2+u_{n+1} - u_n = \frac{1}{n+1} - \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{2n^2} + \dots\right) = \frac{n-(n+1)}{n(n+1)} + \frac{1}{2n^2} + \dots = -\frac{1}{n(n+1)} + \frac{1}{2n^2} + \dots

    =1n2+n+12n2+2n+n+12n2(n+1)12n2.= -\frac{1}{n^2+n} + \frac{1}{2n^2} + \dots \sim \frac{-2n+n+1}{2n^2(n+1)} \sim \frac{-1}{2n^2}.

    Le terme général un+1unu_{n+1}-u_n est équivalent à 1/(2n2)-1/(2n^2).

    La série (un+1un)\sum (u_{n+1}-u_n) est donc une série convergente (absolument).

    La suite un=u1+k=1n1(uk+1uk)u_n = u_1 + \sum_{k=1}^{n-1} (u_{k+1}-u_k) converge donc. Sa limite est notée γ\gamma.

  2. Équivalent de vn=unγv_n = u_n - \gamma :

    On a vn=unγ=(limNuNun)=k=n(uk+1uk)v_n = u_n - \gamma = -( \lim_{N\to\infty} u_N - u_n) = - \sum_{k=n}^\infty (u_{k+1}-u_k).

    On a trouvé que wk=uk+1uk1/(2k2)w_k = u_{k+1}-u_k \sim -1/(2k^2).

    Le reste d’une série convergente à termes de signe constant wk\sum w_kwkL/kαw_k \sim L/k^\alpha avec α>1\alpha>1 est équivalent à l’intégrale du terme équivalent:

    k=nwkn12t2dt=[12t]n=12n.\sum_{k=n}^\infty w_k \sim \int_n^\infty \frac{-1}{2t^2} dt = \left[ \frac{1}{2t} \right]_n^\infty = -\frac{1}{2n}.

    Donc vn=unγ=k=n(uk+1uk)(12n)=12nv_n = u_n - \gamma = -\sum_{k=n}^\infty (u_{k+1}-u_k) \sim -(-\frac{1}{2n}) = \frac{1}{2n}.

    Pour être plus rigoureux, on peut utiliser l’encadrement du reste par des intégrales.

    Soit f(t)=ln(1+1/t)1/(t+1)f(t) = \ln(1+1/t) - 1/(t+1). La série est f(k)\sum f(k).

    f(k)1/(2k2)f(k) \sim 1/(2k^2). Le reste Rn=k=n+1f(k)R_n = \sum_{k=n+1}^\infty f(k) vérifie :

    n+1f(t)dtRnnf(t)dt\int_{n+1}^\infty f(t)dt \le R_n \le \int_n^\infty f(t)dt.

    n12t2dt=12n\int_n^\infty \frac{1}{2t^2}dt = \frac{1}{2n}. Donc unγ=Rn112(n1)12nu_n-\gamma = -R_{n-1} \sim -\frac{1}{2(n-1)} \sim -\frac{1}{2n}. Il y a une erreur de signe dans mon raisonnement.

    un+1un<0u_{n+1}-u_n < 0 pour nn grand, donc la suite (un)(u_n) est décroissante. Elle est minorée par 0 (via 1n+1dttk=1n1k\int_1^{n+1} \frac{dt}{t} \le \sum_{k=1}^n \frac{1}{k}). Elle converge.

    vn=unγ>0v_n = u_n - \gamma > 0.

    vn=k=n(γuk)(γuk+1)=k=n(uk+1uk)v_n = \sum_{k=n}^\infty (\gamma - u_k) - (\gamma-u_{k+1}) = \sum_{k=n}^\infty -(u_{k+1}-u_k).

    uk+1uk=1k+1ln(1+1k)12k2u_{k+1}-u_k = \frac{1}{k+1} - \ln(1+\frac{1}{k}) \sim -\frac{1}{2k^2}.

    vnk=n12k2n12t2dt=12nv_n \sim \sum_{k=n}^\infty \frac{1}{2k^2} \sim \int_n^\infty \frac{1}{2t^2} dt = \frac{1}{2n}.

Answer: 1. La série de terme général un+1un1/(2n2)u_{n+1}-u_n \sim -1/(2n^2) converge, donc la suite (un)(u_n) converge. 2. unγ12nu_n-\gamma \sim \frac{1}{2n}.

Exercise 9: [Complex Proof]

Problem: Démontrer le théorème taubérien suivant (une version simplifiée du théorème de Hardy-Littlewood) :

Soit un\sum u_n une série à termes réels. Si elle est Césaro-sommable vers une somme ll et si un=o(1/n)u_n = o(1/n) (c’est-à-dire limnnun=0\lim_{n\to\infty} n u_n = 0), alors la série un\sum u_n converge (au sens usuel) vers ll.

Solution

Method: C’est une preuve classique et difficile. L’idée est de montrer que la condition nun0n u_n \to 0 permet de contrôler l’écart entre les sommes partielles sns_n et les moyennes de Césaro cnc_n. On montre que si nn et mm sont “proches” (i.e. m/n1m/n \to 1), alors smsn0s_m-s_n \to 0. En combinant cela avec la convergence de cnc_n, on montre que snls_n \to l.

Steps:

  1. Notations : Soit sn=k=0nuks_n = \sum_{k=0}^n u_k et cn=1n+1k=0nskc_n = \frac{1}{n+1}\sum_{k=0}^n s_k. On suppose cnlc_n \to l et nun0n u_n \to 0. On veut montrer que snls_n \to l.

    On peut, sans perte de généralité, supposer l=0l=0. (Sinon, on travaille avec u0=u0lu'_0=u_0-l et un=unu'_n=u_n pour n1n\ge 1).

  2. Lien entre sns_n et cnc_n : On a sn=(n+1)cnncn1s_n = (n+1)c_n - n c_{n-1}.

    Si cn0c_n \to 0, alors (n+1)cn0(n+1)c_n \to \infty \cdot 0, c’est indéterminé. Ce n’est pas la bonne voie.

  3. Contrôler smsns_m-s_n : Soit m>nm>n.

    smsn=k=n+1muk=k=n+1mkukks_m - s_n = \sum_{k=n+1}^m u_k = \sum_{k=n+1}^m \frac{k u_k}{k}

    Soit ε>0\varepsilon > 0. Par hypothèse kuk0k u_k \to 0, il existe N0N_0 tel que pour k>N0k>N_0, kuk<ε|k u_k| < \varepsilon.

    Pour m>n>N0m>n>N_0 :

    smsnk=n+1mkukk<εk=n+1m1kε(lnmlnn)=εln(m/n).|s_m - s_n| \le \sum_{k=n+1}^m \frac{|k u_k|}{k} < \varepsilon \sum_{k=n+1}^m \frac{1}{k} \approx \varepsilon (\ln m - \ln n) = \varepsilon \ln(m/n).

  4. Stratégie : On va montrer que lim supsn0\limsup s_n \le 0 et lim infsn0\liminf s_n \ge 0.

    Prenons m=n+λnm = n + \lfloor \lambda n \rfloor pour un λ>0\lambda > 0 petit. Alors m/n1+λm/n \to 1+\lambda.

    smsn<εln(m/n)εln(1+λ)ελ|s_m - s_n| < \varepsilon \ln(m/n) \approx \varepsilon \ln(1+\lambda) \approx \varepsilon \lambda.

    On peut rendre cette différence petite.

  5. Relation entre sns_n et cnc_n (autre) :

    (m+1)cm(n+1)cn=k=n+1msk=k=n+1m(sn+j=n+1kuj)=(mn)sn+k=n+1mj=n+1kuj(m+1)c_m - (n+1)c_n = \sum_{k=n+1}^m s_k = \sum_{k=n+1}^m (s_n + \sum_{j=n+1}^k u_j) = (m-n)s_n + \sum_{k=n+1}^m \sum_{j=n+1}^k u_j

    Cette expression est complexe.

    Essayons plutôt :

    sncn=1n+1k=0n(snsk)=1n+1k=0nj=k+1nujs_n - c_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n (s_n - s_k) = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n \sum_{j=k+1}^n u_j

    Cette double somme est difficile à manipuler.

    La preuve standard est plus astucieuse. Pour m>nm > n,

    (m+1)cmncn1=sn++sm(m+1)c_m - n c_{n-1} = s_n + \dots + s_m

    On choisit m=n(1+δ)m = \lfloor n(1+\delta) \rfloor pour δ>0\delta > 0. Pour nn grand, m>nm>n.

    (mn)sn=k=n+1m(snsk)+k=n+1msk=k=n+1mj=n+1kuj+((m+1)cm(n+1)cn)(m-n) s_n = \sum_{k=n+1}^m (s_n - s_k) + \sum_{k=n+1}^m s_k = -\sum_{k=n+1}^m \sum_{j=n+1}^k u_j + ((m+1)c_m - (n+1)c_n)

    Les termes uju_j sont petits, ujεj/ju_j \approx \varepsilon_j/j.

    La somme j=n+1kuj\sum_{j=n+1}^k u_j est bornée par εln(k/n)\varepsilon \ln(k/n).

    Pour k[n+1,m]k \in [n+1, m], k/n[1,1+δ]k/n \in [1, 1+\delta]. Donc ln(k/n)\ln(k/n) est borné par ln(1+δ)\ln(1+\delta).

    sksnεln(k/n)|s_k - s_n| \le \varepsilon' \ln(k/n).

    sns_n est donc proche de cnc_n. C’est l’idée générale.

  6. Preuve formelle (esquisse) : On veut borner sns_n. Soit λ>1\lambda > 1 et m=λnm = \lfloor \lambda n \rfloor.

    (m+1)cm(n+1)cn=k=n+1msk(m+1)c_m - (n+1)c_n = \sum_{k=n+1}^m s_k

    Comme cklc_k \to l, 1mnk=n+1mskl\frac{1}{m-n}\sum_{k=n+1}^m s_k \to l. (Césaro sur une tranche).

    Pour k[n,m]k \in [n,m], sksn=j=n+1kujsupj>njujj=n+1k1jεn(lnklnn)εnln(m/n)=εnlnλ|s_k - s_n| = |\sum_{j=n+1}^k u_j| \le \sup_{j>n} |j u_j| \sum_{j=n+1}^k \frac{1}{j} \le \varepsilon_n (\ln k - \ln n) \le \varepsilon_n \ln(m/n) = \varepsilon_n \ln \lambda.

    εn0\varepsilon_n \to 0.

    Donc sks_k est proche de sns_n sur l’intervalle [n,m][n, m].

    Alors la moyenne des sks_k sur cet intervalle est proche de sns_n.

    1mnk=n+1msksn=1mnk=n+1m(sksn)1mnk=n+1msksnεnlnλ.\left| \frac{1}{m-n}\sum_{k=n+1}^m s_k - s_n \right| = \frac{1}{m-n} \left| \sum_{k=n+1}^m (s_k-s_n) \right| \le \frac{1}{m-n} \sum_{k=n+1}^m |s_k-s_n| \le \varepsilon_n \ln \lambda.

    Comme 1mnk=n+1mskl\frac{1}{m-n}\sum_{k=n+1}^m s_k \to l, on a snls_n \to l.

Answer: Le théorème est prouvé en montrant que la condition un=o(1/n)u_n=o(1/n) assure que les sommes partielles sks_k varient peu sur des intervalles [n,λn][n, \lambda n]. La moyenne des sks_k sur un tel intervalle tendant vers ll (par Césaro-sommabilité), on en déduit que sns_n doit aussi tendre vers ll.

Exercise 10: [Advanced Applications]

Problem: Soit la série S=n=0unS = \sum_{n=0}^\infty u_n avec un=(1)nn+1u_n = \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}}.

  1. Montrer que cette série est semi-convergente.
  2. On considère le produit de Cauchy de cette série par elle-même, C=n=0wnC = \sum_{n=0}^\infty w_n, où wn=k=0nukunkw_n = \sum_{k=0}^n u_k u_{n-k}.
  3. Montrer que la série produit wn\sum w_n diverge. Conclure sur le théorème de Mertens.
Solution

Method: La semi-convergence se prouve avec le critère des séries alternées et en montrant que la série des valeurs absolues diverge (série de Riemann). Pour le produit de Cauchy, on calcule explicitement le terme général wnw_n et on montre qu’il ne tend pas vers 0, ce qui implique la divergence de la série produit.

Steps:

  1. Semi-convergence de un\sum u_n :

    • Convergence : C’est une série alternée. Posons bn=1n+1b_n = \frac{1}{\sqrt{n+1}}. La suite (bn)(b_n) est positive, décroissante, et tend vers 0. D’après le critère des séries alternées, un\sum u_n converge.

    • Non-convergence absolue : La série des valeurs absolues est n=0un=n=01n+1\sum_{n=0}^\infty |u_n| = \sum_{n=0}^\infty \frac{1}{\sqrt{n+1}}.

      Le terme général 1n+1n1n1/2\frac{1}{\sqrt{n+1}} \sim_{n\to\infty} \frac{1}{n^{1/2}}. C’est une série de Riemann avec α=1/21\alpha=1/2 \le 1, donc elle diverge.

      La série est donc convergente mais pas absolument convergente : elle est semi-convergente.

  2. Calcul du terme général wnw_n du produit de Cauchy :

    wn=k=0nukunk=k=0n(1)kk+1(1)nknk+1w_n = \sum_{k=0}^n u_k u_{n-k} = \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k}{\sqrt{k+1}} \frac{(-1)^{n-k}}{\sqrt{n-k+1}}

    wn=(1)nk=0n1k+1nk+1w_n = (-1)^n \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{k+1}\sqrt{n-k+1}}

  3. Divergence de la série wn\sum w_n :

    Pour montrer que la série diverge, il suffit de montrer que son terme général wnw_n ne tend pas vers 0.

    Étudions la somme Sn=k=0n1k+1nk+1S_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{k+1}\sqrt{n-k+1}}.

    La fonction f(k)=(k+1)(nk+1)=k2+nk+n+1f(k) = (k+1)(n-k+1) = -k^2 + nk + n+1 a son maximum pour k=n/2k=n/2.

    Le minimum du produit k+1nk+1\sqrt{k+1}\sqrt{n-k+1} est atteint aux bords k=0k=0 ou k=nk=n, où il vaut n+1\sqrt{n+1}. Le maximum est atteint au centre kn/2k \approx n/2, où il vaut (n/2+1)(n/2+1)=n/2+1\approx \sqrt{(n/2+1)(n/2+1)} = n/2+1.

    Donc les termes au centre de la somme sont les plus petits.

    Pour tout k{0,,n}k \in \{0, \dots, n\}, on a k+1n+1k+1 \le n+1 et nk+1n+1n-k+1 \le n+1.

    Donc k+1nk+1(n+1)(n+1)=n+1\sqrt{k+1}\sqrt{n-k+1} \le \sqrt{(n+1)(n+1)} = n+1.

    Ceci donne une minoration de la somme :

    Sn=k=0n1(k+1)(nk+1)k=0n1(n2+1)2=n+1n2+12.S_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \ge \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{(\frac{n}{2}+1)^2}} = \frac{n+1}{\frac{n}{2}+1} \to 2.

    Une minoration plus précise : l’inégalité arithmético-géométrique donne aba+b2\sqrt{ab} \le \frac{a+b}{2}.

    (k+1)(nk+1)(k+1)+(nk+1)2=n+22\sqrt{(k+1)(n-k+1)} \le \frac{(k+1)+(n-k+1)}{2} = \frac{n+2}{2}

    Donc 1(k+1)(nk+1)2n+2\frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \ge \frac{2}{n+2}.

    Sn=k=0n1(k+1)(nk+1)k=0n2n+2=(n+1)2n+2S_n = \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} \ge \sum_{k=0}^n \frac{2}{n+2} = (n+1) \frac{2}{n+2}

    Lorsque nn \to \infty, cette minoration tend vers 2.

    Donc wn=Sn|w_n| = S_n ne tend pas vers 0.

    La série wn\sum w_n diverge grossièrement.

  4. Conclusion sur le théorème de Mertens : Le théorème de Mertens stipule que si une série an\sum a_n converge absolument et une série bn\sum b_n converge, alors leur produit de Cauchy converge. Ici, aucune des deux séries ne converge absolument. Cet exercice montre que la condition de convergence absolue d’au moins une des deux séries est essentielle.

Answer: 1. La série un\sum u_n est semi-convergente. 2. Le terme général du produit de Cauchy est wn=(1)nk=0n1(k+1)(nk+1)w_n = (-1)^n \sum_{k=0}^n \frac{1}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}}. 3. On montre que wn2(n+1)n+2|w_n| \ge \frac{2(n+1)}{n+2}, donc wnw_n ne tend pas vers 0 et la série produit diverge. Cela montre que la condition de convergence absolue dans le théorème de Mertens est nécessaire.