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Exercices “Séries Numériques (suite)” (B)
Exercise 1: [Theoretical Investigation]
Problem: La fonction Gamma d’Euler est définie pour x>0 par l’intégrale généralisée Γ(x)=∫0+∞tx−1e−tdt.
Démontrer que cette intégrale converge pour tout x>0.
Établir la relation fonctionnelle Γ(x+1)=xΓ(x) pour tout x>0.
En déduire que pour tout entier n∈N∗, Γ(n)=(n−1)!.
Démontrer que la fonction ln(Γ(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 0 et en +∞, 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)) 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:
Convergence de l’intégrale : Soit f(t)=tx−1e−t pour t>0. L’intégrale est impropre en 0 si x−1<0 (i.e., x<1) et en +∞. On la sépare en ∫01f(t)dt+∫1+∞f(t)dt.
Au voisinage de 0+: f(t)∼tx−1. L’intégrale de Riemann ∫01t1−x1dt converge si et seulement si 1−x<1, c’est-à-dire x>0. Par comparaison, ∫01f(t)dt converge pour x>0.
Au voisinage de +∞: On a limt→+∞t2f(t)=limt→+∞tx+1e−t=0 par croissance comparée. Donc, il existe A>0 tel que pour t>A, t2f(t)<1, soit f(t)<t21. Comme l’intégrale de Riemann ∫1+∞t21dt converge, par comparaison, ∫1+∞f(t)dt converge pour tout x∈R.
En conclusion, l’intégrale Γ(x) converge si et seulement si x>0.
Relation fonctionnelle : Soit x>0. On effectue une intégration par parties sur ∫ϵAtxe−tdt :
Posons μ(t)=tx−1e−tdt une mesure positive sur R+. Posons u(t)=lnt et v(t)=1. L’inégalité s’écrit (∫u2dμ)(∫v2dμ)≥(∫uvdμ)2. C’est l’inégalité de Cauchy-Schwarz pour les intégrales. La log-convexité est donc prouvée.
Answer: 1. L’intégrale converge pour x>0. 2. Γ(x+1)=xΓ(x). 3. Γ(n)=(n−1)!. 4. La fonction ln(Γ(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)n∈N et (vn)n∈N deux suites à termes strictement positifs. Démontrer le critère de comparaison de Kummer-Bertrand :
Si la série ∑vn converge et s’il existe un rang N0 tel que pour tout n≥N0, on a unun+1≤vnvn+1, alors la série ∑un converge.
Application : En utilisant ce critère avec vn=1/nα, retrouver le critère de Raabe-Duhamel.
Solution
Method: La démonstration du critère de comparaison consiste à montrer que la suite (un/vn) est décroissante à partir d’un certain rang, donc majorée. La convergence de ∑un 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:
Démonstration du critère : L’inégalité unun+1≤vnvn+1 est équivalente à vn+1un+1≤vnun pour n≥N0.
Ceci signifie que la suite (wn)n≥N0 définie par wn=un/vn est décroissante.
Étant décroissante, elle est majorée par son premier terme wN0. Soit M=wN0.
On a donc pour tout n≥N0, 0<un/vn≤M, ce qui implique 0<un≤Mvn.
Puisque la série ∑vn converge, la série ∑Mvn converge également.
Par le théorème de comparaison des séries à termes positifs, la série ∑un converge.
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., limn→∞unun+1=1. On cherche une condition sur le développement asymptotique de ce rapport.
Posons unun+1=1−nα+o(n1).
Comparons avec une série de Riemann ∑vn où vn=1/nβ.
Le rapport pour cette série est vnvn+1=(n+1)βnβ=(1+n1)−β=1−nβ+O(n21).
Appliquons le critère démontré :
Si α>1, on peut choisir β tel que 1<β<α. Alors pour n assez grand, 1−nα+o(n1)<1−nβ+O(n21). Plus formellement, unun+1−vnvn+1∼nβ−α<0. Donc pour n assez grand, unun+1≤vnvn+1. Comme ∑vn=∑1/nβ converge (car β>1), on en déduit que ∑un converge.
Si α<1, on peut choisir β tel que α<β<1. L’inégalité est inversée, unun+1≥vnvn+1. Comme ∑vn diverge, on en déduit (par un critère analogue pour la divergence) que ∑un diverge.
Ceci est l’énoncé du critère de Raabe-Duhamel.
Answer: Le critère est prouvé en montrant que la suite un/vn est décroissante et majorée. Son application avec les séries de Riemann vn=1/nβ permet de retrouver le critère de Raabe-Duhamel : si unun+1=1−nα+o(n1), alors ∑un converge si α>1 et diverge si α<1.
Exercise 3: [Advanced Applications]
Problem: Étudier la nature de la série de terme général un=(nsin(n1))n2−6e1.
Solution
Method: Le terme général est une forme indéterminée 1∞. La stratégie est d’utiliser la forme exponentielle un=en2ln(nsin(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) et ln(1−u) à un ordre suffisant pour déterminer le premier terme non nul du développement de un.
Steps:
Mise en forme exponentielle : On écrit un=eAn−e−1/6 avec An=n2ln(nsin(n1)).
Développement de l’argument du logarithme : Soit x=1/n. Pour n→∞, x→0.
Conclusion :un est de signe constant (négatif) à partir d’un certain rang et est équivalent à −360n27e−1/6.
La série de Riemann ∑n21 converge. Par le critère de comparaison par équivalents pour les séries à termes de signe constant, la série ∑un converge.
Answer: La série ∑un converge. L’équivalent est un∼n→∞−36076e−1n21.
Exercise 4: [Theoretical Investigation]
Problem: La seconde formule de la moyenne pour les intégrales stipule que si f:[a,b]→R est une fonction positive, décroissante et de classe C1, et si g:[a,b]→R est continue, alors il existe c∈[a,b] tel que :
∫abf(t)g(t)dt=f(a)∫acg(t)dt.
Démontrer ce théorème. (Indication : introduire G(x)=∫axg(t)dt et intégrer par parties).
En l’appliquant à l’intégrale ∫ABtαsin(t)dt pour 0<α≤1, montrer que ∫1+∞tαsin(t)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:
Démonstration du théorème : Soit G(x)=∫axg(t)dt. Par le théorème fondamental de l’analyse, G′(x)=g(x). On intègre par parties :
Comme f est positive et décroissante f(a)≥f(b)≥0. La moyenne pondérée (μf(a)+(G(b)−μ)f(b))/(f(a)+f(b)−f(b)) est compliquée.
Une approche plus simple : La fonction Φ(x)=f(a)∫axg(t)dt est continue. On veut montrer que ∫abfg est une valeur prise par Φ. Par le TVI, il suffit de montrer que ∫abfg est entre le min et le max de Φ.
Avec m≤G(t)≤M, on a ∫abfg=f(b)G(b)+∫ab(−f′)G.
f(b)m+m(f(a)−f(b))≤∫abfg≤f(b)M+M(f(a)−f(b))
mf(a)≤∫abfg≤Mf(a)
L’intégrale ∫abfg est donc comprise entre f(a)m et f(a)M. Comme f(a)≥0, ceci est compris entre f(a)min[a,b]G et f(a)max[a,b]G.
Par le théorème des valeurs intermédiaires, G prend toutes les valeurs entre m et M. Soit c tel que G(c) soit la valeur moyenne. Il existe c∈[a,b] tel que G(c)=f(a)1∫abf(t)g(t)dt. Ceci prouve le résultat.
Application : On veut montrer la convergence de ∫1+∞tαsin(t)dt pour 0<α≤1.
On utilise le critère de Cauchy. Soit ε>0. On doit montrer qu’il existe X tel que pour tout B>A>X, ∣∫ABtαsin(t)dt∣<ε.
Posons f(t)=1/tα et g(t)=sin(t). Pour t∈[A,B] avec A>0, f est positive, de classe C1 et décroissante car f′(t)=−αt−α−1<0. g est continue.
D’après la seconde formule de la moyenne, il existe c∈[A,B] tel que :
Puisque α>0, limA→+∞Aα2=0. Donc pour tout ε>0, on peut trouver X tel que si A>X, alors Aα2<ε.
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 ∫ABtαsintdt donne la majoration ∣∫AB…∣≤Aα2, 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∞n(−1)n+1=ln(2). Soient p,q∈N∗. On considère le réarrangement de cette série où l’on somme p termes positifs successifs, puis q termes négatifs successifs.
Montrer que cette série réarrangée converge et que sa somme est ln(2)+21ln(qp).
Solution
Method: La stratégie consiste à analyser la somme partielle SN′ de la série réarrangée après un nombre entier de “paquets” (un paquet étant p termes positifs et q termes négatifs). Cette somme partielle sera exprimée en fonction des sommes partielles de la série harmonique, Hn=∑k=1n1/k. En utilisant le développement asymptotique de Hn=ln(n)+γ+o(1), on calcule la limite de SN′.
Steps:
Expression de la somme partielle : Considérons la somme des k premiers paquets, qui contient kp termes positifs et kq termes négatifs.
La somme des kp premiers termes positifs est ∑j=1kp2j−11.
La somme des kq premiers termes négatifs est −∑j=1kq2j1.
La somme partielle Sk′ (après k paquets) est donc :
Conclusion : La suite des sommes partielles calculées sur des blocs entiers converge vers ln(2)+21ln(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)+21ln(qp).
Exercise 6: [Theoretical Investigation]
Problem: On considère la suite double (um,n) définie sur N×N par :
um,n=⎩⎨⎧1−10si m=nsi m=n−1sinon
Calculer les deux sommes itérées S1=∑m=0∞(∑n=0∞um,n) et S2=∑n=0∞(∑m=0∞um,n).
Les sommes sont-elles égales ? Expliquer pourquoi le théorème de Fubini pour les séries ne s’applique pas ici.
Étudier la convergence et la somme de la série obtenue en sommant sur des “carrés” croissants, i.e., la limite de SN=∑m=0N∑n=0Num,n lorsque N→∞.
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:
Calcul des sommes itérées :
Calcul de S1 : On fixe m∈N. La somme interne est ∑n=0∞um,n. Les seuls termes non nuls sont pour n=m et n=m+1.
∑n=0∞um,n=um,m+um,m+1=1+(−1)=0.
Cette somme est nulle pour tout m≥0.
La somme externe est donc S1=∑m=0∞0=0.
Calcul de S2 : On fixe n∈N. La somme interne est ∑m=0∞um,n. Les seuls termes non nuls sont pour m=n et m=n−1 (si n≥1).
Pour n=0, ∑m=0∞um,0=u0,0=1.
Pour n≥1, ∑m=0∞um,n=un,n+un−1,n=1+(−1)=0.
La somme externe est donc S2=1+∑n=1∞0=1.
Applicabilité du théorème de Fubini :
On a trouvé S1=0 et S2=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) doit être sommable, c’est-à-dire que ∑(m,n)∈N2∣um,n∣ doit converger.
Answer: 1. S1=0 et S2=1. 2. Les sommes sont différentes. Fubini ne s’applique pas car la série des modules ∑∣um,n∣ diverge. 3. La limite des sommes sur les carrés croissants est limN→∞SN=1.
Exercise 7: [Research-level problems]
Problem: Étudier la nature de la série de terme général un=nlnn(ln(lnn))α1 pour n≥3, en fonction du paramètre réel α. Ces séries sont parfois appelées séries de Du Bois-Reymond.
Solution
Method: La fonction f(t)=tlnt(ln(lnt))α1 est continue, positive et décroissante sur [3,+∞[. On peut donc appliquer le critère de comparaison série-intégrale. L’intégrale ∫3+∞f(t)dt se calcule par un changement de variable.
Steps:
Vérification des hypothèses du critère de comparaison :
Soit f(t)=tlnt(ln(lnt))α1 pour t≥3.
f est continue et positive.
f est décroissante car c’est l’inverse d’un produit de fonctions croissantes et positives.
La série ∑un et l’intégrale ∫3+∞f(t)dt sont donc de même nature.
Calcul de l’intégrale : On étudie ∫3Xf(t)dt.
On effectue le changement de variable u=ln(lnt).
Alors du=lnt1⋅t1dt.
L’intégrale devient :
∫ln(ln3)ln(lnX)uα1du
Discussion selon α :
Cas α=1 : L’intégrale est ∫ln(ln3)ln(lnX)u1du=[lnu]ln(ln3)ln(lnX)=ln(ln(lnX))−ln(ln(ln3)).
Lorsque X→+∞, ln(ln(lnX))→+∞. L’intégrale diverge.
Cas α=1 : L’intégrale est ∫ln(ln3)ln(lnX)u−αdu=[1−αu1−α]ln(ln3)ln(lnX).
=1−α(ln(lnX))1−α−(ln(ln3))1−α
La limite de cette expression quand X→+∞ dépend du signe de 1−α.
Si 1−α>0, i.e., α<1, alors (ln(lnX))1−α→+∞. L’intégrale diverge.
Si 1−α<0, i.e., α>1, alors (ln(lnX))1−α→0. L’intégrale converge.
Conclusion :
L’intégrale ∫3+∞f(t)dt converge si et seulement si α>1.
Par le critère de comparaison série-intégrale, la série ∑n=3∞nlnn(ln(lnn))α1 converge si et seulement si α>1.
Answer: La série converge si et seulement si α>1.
Exercise 8: [Advanced Applications]
Problem: On définit la suite (un)n≥1 par un=(∑k=1nk1)−lnn.
Montrer que la suite (un) converge vers une limite γ, appelée constante d’Euler-Mascheroni.
On pose vn=un−γ. Donner un équivalent de vn lorsque n→∞.
Solution
Method: Pour la convergence, on étudie la série de terme général un+1−un et on montre qu’elle converge. Pour l’équivalent du reste vn=−∑k=n+1∞(uk−uk−1), on utilise une comparaison série-intégrale pour estimer ce reste.
Le terme général un+1−un est équivalent à −1/(2n2).
La série ∑(un+1−un) est donc une série convergente (absolument).
La suite un=u1+∑k=1n−1(uk+1−uk) converge donc. Sa limite est notée γ.
Équivalent de vn=un−γ :
On a vn=un−γ=−(limN→∞uN−un)=−∑k=n∞(uk+1−uk).
On a trouvé que wk=uk+1−uk∼−1/(2k2).
Le reste d’une série convergente à termes de signe constant ∑wk où wk∼L/kα avec α>1 est équivalent à l’intégrale du terme équivalent:
∑k=n∞wk∼∫n∞2t2−1dt=[2t1]n∞=−2n1.
Donc vn=un−γ=−∑k=n∞(uk+1−uk)∼−(−2n1)=2n1.
Pour être plus rigoureux, on peut utiliser l’encadrement du reste par des intégrales.
Soit f(t)=ln(1+1/t)−1/(t+1). La série est ∑f(k).
f(k)∼1/(2k2). Le reste Rn=∑k=n+1∞f(k) vérifie :
∫n+1∞f(t)dt≤Rn≤∫n∞f(t)dt.
∫n∞2t21dt=2n1. Donc un−γ=−Rn−1∼−2(n−1)1∼−2n1. Il y a une erreur de signe dans mon raisonnement.
un+1−un<0 pour n grand, donc la suite (un) est décroissante. Elle est minorée par 0 (via ∫1n+1tdt≤∑k=1nk1). Elle converge.
vn=un−γ>0.
vn=∑k=n∞(γ−uk)−(γ−uk+1)=∑k=n∞−(uk+1−uk).
uk+1−uk=k+11−ln(1+k1)∼−2k21.
vn∼∑k=n∞2k21∼∫n∞2t21dt=2n1.
Answer: 1. La série de terme général un+1−un∼−1/(2n2) converge, donc la suite (un) converge. 2. un−γ∼2n1.
Exercise 9: [Complex Proof]
Problem: Démontrer le théorème taubérien suivant (une version simplifiée du théorème de Hardy-Littlewood) :
Soit ∑un une série à termes réels. Si elle est Césaro-sommable vers une somme l et si un=o(1/n) (c’est-à-dire limn→∞nun=0), alors la série ∑un converge (au sens usuel) vers l.
Solution
Method: C’est une preuve classique et difficile. L’idée est de montrer que la condition nun→0 permet de contrôler l’écart entre les sommes partielles sn et les moyennes de Césaro cn. On montre que si n et m sont “proches” (i.e. m/n→1), alors sm−sn→0. En combinant cela avec la convergence de cn, on montre que sn→l.
Steps:
Notations : Soit sn=∑k=0nuk et cn=n+11∑k=0nsk. On suppose cn→l et nun→0. On veut montrer que sn→l.
On peut, sans perte de généralité, supposer l=0. (Sinon, on travaille avec u0′=u0−l et un′=un pour n≥1).
Lien entre sn et cn : On a sn=(n+1)cn−ncn−1.
Si cn→0, alors (n+1)cn→∞⋅0, c’est indéterminé. Ce n’est pas la bonne voie.
Contrôler sm−sn : Soit m>n.
sm−sn=∑k=n+1muk=∑k=n+1mkkuk
Soit ε>0. Par hypothèse kuk→0, il existe N0 tel que pour k>N0, ∣kuk∣<ε.
Answer: Le théorème est prouvé en montrant que la condition un=o(1/n) assure que les sommes partielles sk varient peu sur des intervalles [n,λn]. La moyenne des sk sur un tel intervalle tendant vers l (par Césaro-sommabilité), on en déduit que sn doit aussi tendre vers l.
Exercise 10: [Advanced Applications]
Problem: Soit la série S=∑n=0∞un avec un=n+1(−1)n.
Montrer que cette série est semi-convergente.
On considère le produit de Cauchy de cette série par elle-même, C=∑n=0∞wn, où wn=∑k=0nukun−k.
Montrer que la série produit ∑wn 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 wn et on montre qu’il ne tend pas vers 0, ce qui implique la divergence de la série produit.
Steps:
Semi-convergence de ∑un :
Convergence : C’est une série alternée. Posons bn=n+11. La suite (bn) est positive, décroissante, et tend vers 0. D’après le critère des séries alternées, ∑un converge.
Non-convergence absolue : La série des valeurs absolues est ∑n=0∞∣un∣=∑n=0∞n+11.
Le terme général n+11∼n→∞n1/21. C’est une série de Riemann avec α=1/2≤1, donc elle diverge.
La série est donc convergente mais pas absolument convergente : elle est semi-convergente.
Calcul du terme général wn du produit de Cauchy :
wn=∑k=0nukun−k=∑k=0nk+1(−1)kn−k+1(−1)n−k
wn=(−1)n∑k=0nk+1n−k+11
Divergence de la série ∑wn :
Pour montrer que la série diverge, il suffit de montrer que son terme général wn ne tend pas vers 0.
Étudions la somme Sn=∑k=0nk+1n−k+11.
La fonction f(k)=(k+1)(n−k+1)=−k2+nk+n+1 a son maximum pour k=n/2.
Le minimum du produit k+1n−k+1 est atteint aux bords k=0 ou k=n, où il vaut n+1. Le maximum est atteint au centre k≈n/2, où il vaut ≈(n/2+1)(n/2+1)=n/2+1.
Donc les termes au centre de la somme sont les plus petits.
Une minoration plus précise : l’inégalité arithmético-géométrique donne ab≤2a+b.
(k+1)(n−k+1)≤2(k+1)+(n−k+1)=2n+2
Donc (k+1)(n−k+1)1≥n+22.
Sn=∑k=0n(k+1)(n−k+1)1≥∑k=0nn+22=(n+1)n+22
Lorsque n→∞, cette minoration tend vers 2.
Donc ∣wn∣=Sn ne tend pas vers 0.
La série ∑wn diverge grossièrement.
Conclusion sur le théorème de Mertens : Le théorème de Mertens stipule que si une série ∑an converge absolument et une série ∑bn 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 est semi-convergente. 2. Le terme général du produit de Cauchy est wn=(−1)n∑k=0n(k+1)(n−k+1)1. 3. On montre que ∣wn∣≥n+22(n+1), donc wn 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.