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Séries Numériques (suite) - fiches de révision (B)

Prouver que toute intégrale absolument convergente est convergente en utilisant le critère de Cauchy.

Solution

Soit f:I→Cf: I \to \mathbb{C} une fonction telle que l'intégrale ∫I∣f(t)∣dt\int_I |f(t)|dt converge. On veut montrer que ∫If(t)dt\int_I f(t)dt converge.

Le critère de Cauchy pour la convergence d'une intégrale généralisée ∫abf(t)dt\int_a^b f(t)dt (où bb peut être +∞+\infty) s'énonce :

∀ε>0,∃B∈[a,b[,∀x,y∈]B,b[,∣∫xyf(t)dt∣<ε.\forall \varepsilon > 0, \exists B \in [a,b[, \forall x, y \in ]B,b[, \left| \int_x^y f(t)dt \right| < \varepsilon.

  1. Appliquer le critère de Cauchy à ∣f∣|f| :

    Puisque ∫I∣f(t)∣dt\int_I |f(t)|dt converge, elle vérifie le critère de Cauchy. Soit ε>0\varepsilon > 0. Il existe un intervalle compact J0⊂IJ_0 \subset I tel que pour tout intervalle compact JJ avec J0⊂J⊂IJ_0 \subset J \subset I, on a ∫J∖J0∣f(t)∣dt<ε\int_{J \setminus J_0} |f(t)|dt < \varepsilon.

    Pour simplifier, prenons I=[a,+∞[I = [a, +\infty[. Il existe donc B≥aB \ge a tel que pour tous x,yx, y avec y>x>By > x > B, on a :

    ∫xy∣f(t)∣dt<ε.\int_x^y |f(t)|dt < \varepsilon.

  2. Utiliser l'inégalité triangulaire :

    L'inégalité triangulaire pour les intégrales stipule que ∣∫xyf(t)dt∣≤∫xy∣f(t)∣dt\left| \int_x^y f(t)dt \right| \le \int_x^y |f(t)|dt.

  3. Conclusion :

    En combinant les deux points, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe B≥aB \ge a tel que pour tous y>x>By > x > B :

    ∣∫xyf(t)dt∣≤∫xy∣f(t)∣dt<ε.\left| \int_x^y f(t)dt \right| \le \int_x^y |f(t)|dt < \varepsilon.

    Ceci est précisément le critère de Cauchy pour la fonction ff. Par conséquent, l'intégrale ∫If(t)dt\int_I f(t)dt converge.

Énoncer et démontrer le critère de comparaison série-intégrale.

Solution

Théorème (Critère de Comparaison Série-Intégrale) :

Soit f:[a,+∞[→Rf: [a, +\infty[ \to \mathbb{R} une fonction continue, positive et décroissante pour a∈Ra \in \mathbb{R}. Soit la série ∑n=n0∞un\sum_{n=n_0}^\infty u_n avec n0≥an_0 \ge a et un=f(n)u_n = f(n). Alors la série ∑un\sum u_n et l'intégrale ∫a+∞f(t)dt\int_a^{+\infty} f(t)dt sont de même nature.

Démonstration :

  1. Encadrement de l'intégrale :

    Puisque ff est décroissante, pour tout entier k≥ak \ge a et pour tout t∈[k,k+1]t \in [k, k+1], on a l'encadrement :

    f(k+1)≤f(t)≤f(k)f(k+1) \le f(t) \le f(k)

  2. Intégration de l'encadrement :

    En intégrant cette inégalité sur l'intervalle [k,k+1][k, k+1] de longueur 1 :

    ∫kk+1f(k+1)dt≤∫kk+1f(t)dt≤∫kk+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

    f(k+1)⋅(k+1−k)≤∫kk+1f(t)dt≤f(k)⋅(k+1−k)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)dt≤f(k)f(k+1) \le \int_k^{k+1} f(t) dt \le f(k)

  3. Sommation des inégalités :

    Soient SN=∑k=n0Nf(k)S_N = \sum_{k=n_0}^N f(k) et IN=∫n0Nf(t)dtI_N = \int_{n_0}^N f(t)dt.

    • En sommant l'inégalité de gauche de k=n0k=n_0 à N−1N-1 :

      ∑k=n0N−1f(k+1)≤∑k=n0N−1∫kk+1f(t)dt  ⟹  ∑j=n0+1Nf(j)≤∫n0Nf(t)dt\sum_{k=n_0}^{N-1} f(k+1) \le \sum_{k=n_0}^{N-1} \int_k^{k+1} f(t) dt \implies \sum_{j=n_0+1}^{N} f(j) \le \int_{n_0}^N f(t)dt

      SN−f(n0)≤INS_N - f(n_0) \le I_N

    • En sommant l'inégalité de droite de k=n0k=n_0 à NN :

      ∑k=n0N∫kk+1f(t)dt≤∑k=n0Nf(k)  ⟹  ∫n0N+1f(t)dt≤SN\sum_{k=n_0}^{N} \int_k^{k+1} f(t) dt \le \sum_{k=n_0}^{N} f(k) \implies \int_{n_0}^{N+1} f(t)dt \le S_N

  4. Conclusion :

    Les suites (SN)(S_N) et (IN)(I_N) sont croissantes car ff est positive. Les inégalités

    ∫n0N+1f(t)dt≤SN≤f(n0)+∫n0Nf(t)dt\int_{n_0}^{N+1} f(t)dt \le S_N \le f(n_0) + \int_{n_0}^N f(t)dt

    montrent que la suite (SN)(S_N) est majorée si et seulement si la suite (IN)(I_N) est majorée. Puisqu'elles sont croissantes, elles sont de même nature (soit elles convergent, soit elles tendent vers +∞+\infty).

Déterminer la nature de la série ∑n=2∞1−cos⁡(1nln⁡n)sin⁡1n\sum_{n=2}^\infty \frac{1 - \cos(\frac{1}{\sqrt{n \ln n}})}{\sin \frac{1}{n}} en utilisant un équivalent.

Solution

Soit vn=1−cos⁡(1nln⁡n)sin⁡1nv_n = \frac{1 - \cos(\frac{1}{\sqrt{n \ln n}})}{\sin \frac{1}{n}}. Il s'agit d'une série à termes positifs. Nous pouvons utiliser le critère de comparaison par équivalents.

1. Trouver un équivalent du numérateur :

On utilise le développement limité 1−cos⁡(x)∼0x221 - \cos(x) \sim_0 \frac{x^2}{2}.

Quand n→∞n \to \infty, xn=1nln⁡n→0x_n = \frac{1}{\sqrt{n \ln n}} \to 0.

Donc,

1−cos⁡(1nln⁡n)∼n→∞12(1nln⁡n)2=12nln⁡n.1 - \cos\left(\frac{1}{\sqrt{n \ln n}}\right) \sim_{n\to\infty} \frac{1}{2} \left(\frac{1}{\sqrt{n \ln n}}\right)^2 = \frac{1}{2n \ln n}.

2. Trouver un équivalent du dénominateur :

On utilise le développement limité sin⁡(x)∼0x\sin(x) \sim_0 x.

Quand n→∞n \to \infty, yn=1n→0y_n = \frac{1}{n} \to 0.

Donc,

sin⁡(1n)∼n→∞1n.\sin\left(\frac{1}{n}\right) \sim_{n\to\infty} \frac{1}{n}.

3. Former l'équivalent du terme général :

Par quotient d'équivalents :

vn∼n→∞12nln⁡n1n=12nln⁡n⋅n1=12ln⁡n.v_n \sim_{n\to\infty} \frac{\frac{1}{2n \ln n}}{\frac{1}{n}} = \frac{1}{2n \ln n} \cdot \frac{n}{1} = \frac{1}{2 \ln n}.

4. Conclure sur la nature de la série :

La série ∑vn\sum v_n a la même nature que la série ∑12ln⁡n\sum \frac{1}{2 \ln n}.

Pour n≥3n \ge 3, on a ln⁡n<n\ln n < n, ce qui implique 1ln⁡n>1n\frac{1}{\ln n} > \frac{1}{n}, et donc 12ln⁡n>12n\frac{1}{2 \ln n} > \frac{1}{2n}.

La série ∑12n=12∑1n\sum \frac{1}{2n} = \frac{1}{2} \sum \frac{1}{n} est une série harmonique divergente.

Par le critère de comparaison pour les séries à termes positifs, la série ∑12ln⁡n\sum \frac{1}{2 \ln n} diverge.

Par conséquent, la série ∑vn\sum v_n diverge.

Énoncer et démontrer le test de condensation de Cauchy.

Solution

Théorème (Test de Condensation de Cauchy) :

Soit (un)n∈N(u_n)_{n\in\mathbb{N}} une suite à termes réels positifs et décroissante. Alors la série ∑n=1∞un\sum_{n=1}^\infty u_n converge si et seulement si la série "condensée" ∑j=0∞2ju2j\sum_{j=0}^\infty 2^j u_{2^j} converge.

Démonstration :

Soient SN=∑n=1NunS_N = \sum_{n=1}^N u_n et TJ=∑j=0J2ju2jT_J = \sum_{j=0}^J 2^j u_{2^j}. Les deux suites (SN)(S_N) et (TJ)(T_J) sont croissantes car les termes sont positifs.

Partie 1 : Convergence de ∑2ju2j\sum 2^j u_{2^j}   ⟹  \implies Convergence de ∑un\sum u_n.

Supposons que ∑2ju2j\sum 2^j u_{2^j} converge vers TT. Pour N∈NN \in \mathbb{N}, choisissons JJ tel que N<2J+1−1N < 2^{J+1}-1.

SN≤S2J+1−1=u1+(u2+u3)+(u4+⋯+u7)+⋯+(u2J+⋯+u2J+1−1)S_N \le S_{2^{J+1}-1} = u_1 + (u_2+u_3) + (u_4+\dots+u_7) + \dots + (u_{2^J}+\dots+u_{2^{J+1}-1})

Puisque (un)(u_n) est décroissante, on peut majorer chaque paquet :

  • u2+u3≤u2+u2=2u2u_2+u_3 \le u_2+u_2 = 2u_2
  • u4+⋯+u7≤4u4u_4+\dots+u_7 \le 4u_4
  • En général, ∑n=2j2j+1−1un≤(2j+1−2j)u2j=2ju2j\sum_{n=2^j}^{2^{j+1}-1} u_n \le (2^{j+1}-2^j) u_{2^j} = 2^j u_{2^j}.

D'où,

SN≤S2J+1−1=u1+∑j=1J∑n=2j2j+1−1un≤u1+∑j=1J2ju2j≤u1+T.S_N \le S_{2^{J+1}-1} = u_1 + \sum_{j=1}^J \sum_{n=2^j}^{2^{j+1}-1} u_n \le u_1 + \sum_{j=1}^J 2^j u_{2^j} \le u_1 + T.

La suite (SN)(S_N) est croissante et majorée, donc elle converge.

Partie 2 : Convergence de ∑un\sum u_n   ⟹  \implies Convergence de ∑2ju2j\sum 2^j u_{2^j}.

Supposons que ∑un\sum u_n converge vers SS. Pour J∈NJ \in \mathbb{N} :

TJ=∑j=0J2ju2j=u1+2u2+4u4+⋯+2Ju2JT_J = \sum_{j=0}^J 2^j u_{2^j} = u_1 + 2u_2 + 4u_4 + \dots + 2^J u_{2^J}

On regroupe les termes de ∑un\sum u_n différemment :

S2J=u1+u2+(u3+u4)+⋯+(u2J−1+1+⋯+u2J)S_{2^J} = u_1 + u_2 + (u_3+u_4) + \dots + (u_{2^{J-1}+1}+\dots+u_{2^J}).

Puisque (un)(u_n) est décroissante :

  • u3+u4≥2u4  ⟹  u4≤12(u3+u4)u_3+u_4 \ge 2u_4 \implies u_4 \le \frac{1}{2}(u_3+u_4)
  • En général, ∑n=2j−1+12jun≥(2j−2j−1)u2j=2j−1u2j  ⟹  2ju2j≤2∑n=2j−1+12jun\sum_{n=2^{j-1}+1}^{2^j} u_n \ge (2^j - 2^{j-1}) u_{2^j} = 2^{j-1} u_{2^j} \implies 2^j u_{2^j} \le 2 \sum_{n=2^{j-1}+1}^{2^j} u_n.

D'où,

TJ=u1+∑j=1J2ju2j≤u1+2∑j=1J∑n=2j−1+12jun=u1+2∑n=32Jun≤u1+2S.T_J = u_1 + \sum_{j=1}^J 2^j u_{2^j} \le u_1 + 2 \sum_{j=1}^J \sum_{n=2^{j-1}+1}^{2^j} u_n = u_1 + 2 \sum_{n=3}^{2^J} u_n \le u_1 + 2S.

La suite (TJ)(T_J) est croissante et majorée, donc elle converge.

Quelle est la nature de la série de terme général un=(−1)nn+(−1)nu_n = \frac{(-1)^n}{n+(-1)^n} ? Justifier par une analyse asymptotique.

Solution

Pour étudier la nature de ∑un\sum u_n, nous effectuons un développement asymptotique de unu_n pour n→∞n \to \infty.

1. Mise en forme du terme général :

un=(−1)nn(1+(−1)nn)=(−1)nn(1+(−1)nn)−1u_n = \frac{(-1)^n}{n(1 + \frac{(-1)^n}{n})} = \frac{(-1)^n}{n} \left(1 + \frac{(-1)^n}{n}\right)^{-1}

2. Développement limité :

On utilise le développement limité (1+x)α=1+αx+O(x2)(1+x)^\alpha = 1 + \alpha x + O(x^2) pour x→0x \to 0.

Ici, x=(−1)nnx = \frac{(-1)^n}{n}, qui tend bien vers 0, et α=−1\alpha = -1.

(1+(−1)nn)−1=1−(−1)nn+O(((−1)nn)2)=1−(−1)nn+O(1n2)\left(1 + \frac{(-1)^n}{n}\right)^{-1} = 1 - \frac{(-1)^n}{n} + O\left(\left(\frac{(-1)^n}{n}\right)^2\right) = 1 - \frac{(-1)^n}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right)

Il faut pousser le développement jusqu'à obtenir un reste dont la série converge absolument, donc O(1/n2)O(1/n^2) n'est pas suffisant. Poussons à l'ordre suivant : (1+x)−1=1−x+x2+O(x3)(1+x)^{-1} = 1 - x + x^2 + O(x^3).

Non, O(1/n2)O(1/n^2) suffit ici.

3. Développement asymptotique de unu_n :

un=(−1)nn(1−(−1)nn+O(1n2))u_n = \frac{(-1)^n}{n} \left(1 - \frac{(-1)^n}{n} + O\left(\frac{1}{n^2}\right)\right)

un=(−1)nn−(−1)nn⋅(−1)nn+(−1)nnO(1n2)u_n = \frac{(-1)^n}{n} - \frac{(-1)^n}{n} \cdot \frac{(-1)^n}{n} + \frac{(-1)^n}{n} O\left(\frac{1}{n^2}\right)

un=(−1)nn−(−1)2nn2+O(1n3)u_n = \frac{(-1)^n}{n} - \frac{(-1)^{2n}}{n^2} + O\left(\frac{1}{n^3}\right)

un=(−1)nn−1n2+O(1n3)u_n = \frac{(-1)^n}{n} - \frac{1}{n^2} + O\left(\frac{1}{n^3}\right)

4. Analyse de la convergence :

La série ∑un\sum u_n peut être vue comme la somme de trois séries :

  • ∑n=1∞(−1)nn\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n} : C'est la série harmonique alternée, qui est convergente (d'après le critère des séries alternées).
  • ∑n=1∞(−1n2)\sum_{n=1}^\infty \left(-\frac{1}{n^2}\right) : C'est une série de Riemann avec α=2>1\alpha=2 > 1. Elle est donc absolument convergente.
  • ∑n=1∞O(1n3)\sum_{n=1}^\infty O\left(\frac{1}{n^3}\right) : Soit wn=O(1/n3)w_n = O(1/n^3). Cela signifie qu'il existe M>0M>0 et N0N_0 tels que pour n>N0n>N_0, ∣wn∣≤M/n3|w_n| \le M/n^3. Par comparaison avec la série de Riemann convergente ∑1/n3\sum 1/n^3, la série ∑wn\sum w_n est absolument convergente.

Conclusion :

La série ∑un\sum u_n est la somme de trois séries convergentes. Par linéarité, la série ∑un\sum u_n est convergente.

Énoncer et démontrer le théorème d'Abel pour la convergence des séries.

Solution

Théorème (Théorème d'Abel) :

Soit la série ∑un\sum u_n avec un=anbnu_n = a_n b_n, où (an)n∈N(a_n)_{n\in\mathbb{N}} est une suite à termes complexes et (bn)n∈N(b_n)_{n\in\mathbb{N}} est une suite à termes réels. La série ∑un\sum u_n converge si les trois conditions suivantes sont remplies :

i) La suite des sommes partielles (An)n∈N(A_n)_{n\in\mathbb{N}}, où An=∑k=0nakA_n = \sum_{k=0}^n a_k, est bornée.

ii) La suite (bn)n∈N(b_n)_{n\in\mathbb{N}} est décroissante.

iii) lim⁡n→∞bn=0\lim_{n \to \infty} b_n = 0.

Démonstration (Transformation d'Abel) :

Nous utilisons le critère de Cauchy pour les séries. Montrons que ∀ε>0\forall \varepsilon > 0, ∃N∈N\exists N \in \mathbb{N} tel que ∀q>p≥N\forall q > p \ge N, ∣∑n=pqanbn∣<ε|\sum_{n=p}^q a_n b_n| < \varepsilon.

  1. Expression de la somme partielle :

    Soit Sp,q=∑n=pqanbnS_{p,q} = \sum_{n=p}^q a_n b_n. On exprime ana_n en fonction des sommes partielles AnA_n: an=An−An−1a_n = A_n - A_{n-1} (avec A−1=0A_{-1}=0).

    Sp,q=∑n=pq(An−An−1)bnS_{p,q} = \sum_{n=p}^q (A_n - A_{n-1}) b_n

  2. Sommation par parties (Transformation d'Abel) :

    On réorganise la somme :

    Sp,q=(Ap−Ap−1)bp+(Ap+1−Ap)bp+1+⋯+(Aq−Aq−1)bqS_{p,q} = (A_p - A_{p-1})b_p + (A_{p+1} - A_p)b_{p+1} + \dots + (A_q - A_{q-1})b_q

    Sp,q=−Ap−1bp+Ap(bp−bp+1)+Ap+1(bp+1−bp+2)+⋯+Aq−1(bq−1−bq)+AqbqS_{p,q} = -A_{p-1}b_p + A_p(b_p - b_{p+1}) + A_{p+1}(b_{p+1} - b_{p+2}) + \dots + A_{q-1}(b_{q-1} - b_q) + A_q b_q

    Sp,q=Aqbq−Ap−1bp+∑n=pq−1An(bn−bn+1)S_{p,q} = A_q b_q - A_{p-1}b_p + \sum_{n=p}^{q-1} A_n (b_n - b_{n+1})

  3. Majoration :

    • Par l'hypothèse (i), il existe M>0M > 0 tel que ∣Ak∣≤M|A_k| \le M pour tout kk.
    • Par l'hypothèse (ii), bn−bn+1≥0b_n - b_{n+1} \ge 0.
    • Par l'hypothèse (iii), (bn)(b_n) est une suite de réels positifs (car décroissante et tendant vers 0).

    On majore le module de Sp,qS_{p,q} :

    ∣Sp,q∣≤∣Aqbq∣+∣−Ap−1bp∣+∣∑n=pq−1An(bn−bn+1)∣|S_{p,q}| \le |A_q b_q| + |-A_{p-1}b_p| + \left|\sum_{n=p}^{q-1} A_n (b_n - b_{n+1})\right|

    ∣Sp,q∣≤∣Aq∣bq+∣Ap−1∣bp+∑n=pq−1∣An∣∣bn−bn+1∣|S_{p,q}| \le |A_q|b_q + |A_{p-1}|b_p + \sum_{n=p}^{q-1} |A_n| |b_n - b_{n+1}|

    ∣Sp,q∣≤Mbq+Mbp+M∑n=pq−1(bn−bn+1)|S_{p,q}| \le M b_q + M b_p + M \sum_{n=p}^{q-1} (b_n - b_{n+1})

  4. Somme télescopique :

    La somme ∑n=pq−1(bn−bn+1)\sum_{n=p}^{q-1} (b_n - b_{n+1}) est télescopique et vaut bp−bqb_p - b_q.

    ∣Sp,q∣≤Mbq+Mbp+M(bp−bq)=2Mbp|S_{p,q}| \le M b_q + M b_p + M (b_p - b_q) = 2Mb_p

  5. Conclusion :

    D'après l'hypothèse (iii), lim⁡p→∞bp=0\lim_{p\to\infty} b_p = 0. Donc, pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un rang NN tel que pour p≥Np \ge N, on a bp<ε2Mb_p < \frac{\varepsilon}{2M}.

    Pour q>p≥Nq > p \ge N, on a ∣Sp,q∣≤2Mbp<ε|S_{p,q}| \le 2Mb_p < \varepsilon.

    Le critère de Cauchy est vérifié, donc la série ∑anbn\sum a_n b_n converge.

Expliquer le théorème de réarrangement de Riemann et esquisser la preuve pour le cas d'une série semi-convergente.

Solution

Théorème de réarrangement de Riemann :

Ce théorème décrit le comportement d'une série lorsqu'on permute l'ordre de ses termes.

i) Cas absolument convergent : Une série ∑un\sum u_n est absolument convergente si et seulement si elle est commutativement convergente. C'est-à-dire, pour toute permutation σ:N→N\sigma: \mathbb{N} \to \mathbb{N}, la série réarrangée ∑uσ(n)\sum u_{\sigma(n)} converge vers la même somme.

ii) Cas semi-convergente : Si une série réelle ∑un\sum u_n est semi-convergente (elle converge, mais pas absolument), alors pour tout réel étendu l∈R‾=R∪{−∞,+∞}l \in \overline{\mathbb{R}} = \mathbb{R} \cup \{-\infty, +\infty\}, il existe une permutation σ\sigma de N\mathbb{N} telle que la série réarrangée ∑uσ(n)\sum u_{\sigma(n)} converge vers ll.

Esquisse de la preuve du cas (ii) :

Soit ∑un\sum u_n une série semi-convergente.

  1. Divergence des termes positifs et négatifs :

    Notons P={un∣un>0}P = \{ u_n \mid u_n > 0 \} l'ensemble des termes positifs et N={un∣un<0}N = \{ u_n \mid u_n < 0 \} l'ensemble des termes négatifs (on ignore les termes nuls). Puisque ∑un\sum u_n converge mais ∑∣un∣\sum |u_n| diverge, on peut montrer que les deux séries formées par les termes de PP et de NN doivent diverger. C'est-à-dire, ∑p∈Pp=+∞\sum_{p \in P} p = +\infty et ∑n∈Nn=−∞\sum_{n \in N} n = -\infty.

  2. Algorithme de construction de la permutation :

    Soit l∈Rl \in \mathbb{R} la cible (le cas l=±∞l=\pm\infty est similaire). L'idée est de construire la somme pas à pas pour qu'elle "oscille" autour de ll.

    • Étape 1 : On somme les premiers termes positifs de PP jusqu'à ce que la somme partielle dépasse ll pour la première fois. C'est possible car ∑p=+∞\sum p = +\infty. Soit S1S_1 cette somme.
    • Étape 2 : À S1S_1, on ajoute les premiers termes négatifs de NN jusqu'à ce que la somme repasse en dessous de ll. C'est possible car ∑n=−∞\sum n = -\infty. Soit S2S_2 cette somme.
    • Étape 3 : On recommence en ajoutant les prochains termes positifs non utilisés de PP jusqu'à dépasser de nouveau ll.
    • On continue indéfiniment...
  3. Convergence vers la cible :

    À chaque étape, la somme partielle SkS_k "franchit" la cible ll. L'écart entre la somme partielle et la cible est contrôlé par le dernier terme ajouté. Par exemple, à l'étape 1, si on a ajouté pkp_k, on a S1−l≤pkS_1 - l \le p_k.

    Comme la série ∑un\sum u_n converge, son terme général un→0u_n \to 0. Cela signifie que les termes p∈Pp \in P et n∈Nn \in N que l'on ajoute deviennent arbitrairement petits.

    Par conséquent, l'amplitude des oscillations de la somme partielle autour de ll tend vers 0. La suite des sommes partielles de la série réarrangée converge donc vers ll.

    La permutation σ\sigma est définie par l'ordre dans lequel on a choisi les termes.

Démontrer que si une série ∑un\sum u_n converge, alors toute série formée par sommation par paquets ∑vk\sum v_k converge vers la même somme. Fournir un contre-exemple pour la réciproque.

Solution

Définition (Sommation par Paquets) :

Soit ∑un\sum u_n une série. Soit (pk)k∈N(p_k)_{k\in\mathbb{N}} une suite d'entiers strictement croissante avec p−1=−1p_{-1}=-1. La série ∑vk\sum v_k est une série de paquets de ∑un\sum u_n si vk=∑j=pk−1+1pkujv_k = \sum_{j=p_{k-1}+1}^{p_k} u_j.

Partie 1 : Preuve de la convergence

  1. Définition des sommes partielles :

    • Soit (Sn)n∈N(S_n)_{n\in\mathbb{N}} la suite des sommes partielles de ∑un\sum u_n, avec Sn=∑j=0nujS_n = \sum_{j=0}^n u_j.
    • Soit (Vk)k∈N(V_k)_{k\in\mathbb{N}} la suite des sommes partielles de ∑vk\sum v_k, avec Vk=∑j=0kvjV_k = \sum_{j=0}^k v_j.
  2. Lien entre les sommes partielles :

    Par définition de vjv_j, on a :

    Vk=∑j=0kvj=∑j=0k(∑i=pj−1+1pjui)=∑i=0pkui=SpkV_k = \sum_{j=0}^k v_j = \sum_{j=0}^k \left( \sum_{i=p_{j-1}+1}^{p_j} u_i \right) = \sum_{i=0}^{p_k} u_i = S_{p_k}

    La suite des sommes partielles (Vk)(V_k) de la série de paquets est donc la sous-suite (Spk)(S_{p_k}) de la suite des sommes partielles (Sn)(S_n) de la série originale.

  3. Conclusion :

    Si la série ∑un\sum u_n converge vers une somme SS, cela signifie que la suite de ses sommes partielles (Sn)(S_n) converge vers SS.

    Or, si une suite converge vers une limite, alors toute sous-suite de cette suite converge vers la même limite.

    Par conséquent, la sous-suite (Spk)=(Vk)(S_{p_k}) = (V_k) converge aussi vers SS. La série de paquets ∑vk\sum v_k converge donc vers SS.

Partie 2 : Contre-exemple pour la réciproque

La réciproque est : "Si la série de paquets converge, alors la série originale converge". Ceci est faux en général.

Considérons la série de Grandi : ∑n=0∞un=∑n=0∞(−1)n=1−1+1−1+…\sum_{n=0}^\infty u_n = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n = 1 - 1 + 1 - 1 + \dots

La suite de ses sommes partielles est (Sn)=(1,0,1,0,… )(S_n) = (1, 0, 1, 0, \dots), qui ne converge pas. La série ∑un\sum u_n est donc divergente.

Maintenant, effectuons une sommation par paquets de deux termes. Soit pk=2k+1p_k = 2k+1 pour k≥0k \ge 0.

vk=∑j=pk−1+1pkuj=u2k+u2k+1v_k = \sum_{j=p_{k-1}+1}^{p_k} u_j = u_{2k} + u_{2k+1}

vk=(−1)2k+(−1)2k+1=1−1=0v_k = (-1)^{2k} + (-1)^{2k+1} = 1 - 1 = 0

La série de paquets est ∑k=0∞vk=∑k=0∞0=0\sum_{k=0}^\infty v_k = \sum_{k=0}^\infty 0 = 0.

Cette série de paquets converge (vers 0), mais la série originale diverge. La réciproque est donc fausse.

Expliquer le théorème de Fubini pour les séries et illustrer par un contre-exemple pourquoi l'hypothèse de sommabilité est cruciale.

Solution

Théorème de Fubini pour les séries :

Soit (um,n)(m,n)∈N2(u_{m,n})_{(m,n)\in\mathbb{N}^2} une suite double de nombres réels ou complexes. Si la famille est sommable, c'est-à-dire si la somme des modules converge :

∑(m,n)∈N2∣um,n∣<∞\sum_{(m,n)\in\mathbb{N}^2} |u_{m,n}| < \infty

(ce qui est équivalent à dire que l'une des deux sommes itérées des modules ∑m=0∞∑n=0∞∣um,n∣\sum_{m=0}^\infty \sum_{n=0}^\infty |u_{m,n}| ou ∑n=0∞∑m=0∞∣um,n∣\sum_{n=0}^\infty \sum_{m=0}^\infty |u_{m,n}| est finie),

alors :

  1. Les deux sommes itérées convergent.
  2. Elles sont égales : ∑m=0∞(∑n=0∞um,n)=∑n=0∞(∑m=0∞um,n)\sum_{m=0}^\infty \left( \sum_{n=0}^\infty u_{m,n} \right) = \sum_{n=0}^\infty \left( \sum_{m=0}^\infty u_{m,n} \right).
  3. La somme totale de la famille est égale à cette valeur commune, et on peut sommer les termes dans n'importe quel ordre.

En bref, pour les familles sommables (absolument convergentes), l'ordre de sommation n'a pas d'importance.

Contre-exemple : Échec de Fubini sans sommabilité

Considérons la suite double (um,n)(u_{m,n}) définie par :

um,n={1si m=n−1si m=n+10sinonu_{m,n} = \begin{cases} 1 & \text{si } m=n \\ -1 & \text{si } m=n+1 \\ 0 & \text{sinon} \end{cases}

Visuellement, la matrice infinie des um,nu_{m,n} est :

1 & 0 & 0 & \dots \\ -1 & 1 & 0 & \dots \\ 0 & -1 & 1 & \dots \\ \vdots & \vdots & \ddots & \end{pmatrix} $$ 1. **Calcul de la première somme itérée (par lignes) :** $$ \sum_{m=0}^\infty \left( \sum_{n=0}^\infty u_{m,n} \right) $$ Pour une ligne $m$ fixée, la somme en $n$ est : $\sum_{n=0}^\infty u_{m,n} = u_{m,m-1} + u_{m,m} = -1 + 1 = 0$ (pour $m\ge 1$) et $u_{0,0}=1$ pour $m=0$. Non, pour $m$ fixé, les seuls termes non nuls sont $u_{m,m}=1$ et $u_{m, m+1}$ n'existe pas. Le terme est $u_{m,n}$ donc c'est $u_{m,m} = 1$ et $u_{m+1,m}=-1$. Rectification : Pour $m$ fixé, les termes non nuls sont $u_{m,m}=1$ et $u_{m,m-1}=-1$. - Ligne $m=0$ : $\sum_n u_{0,n} = u_{0,0} = 1$. - Ligne $m \ge 1$: $\sum_n u_{m,n} = u_{m,m} + u_{m,m-1} = 1 - 1 = 0$. Donc, $\sum_{m=0}^\infty (\dots) = 1 + 0 + 0 + \dots = 1$. 2. **Calcul de la deuxième somme itérée (par colonnes) :** $$ \sum_{n=0}^\infty \left( \sum_{m=0}^\infty u_{m,n} \right) $$ Pour une colonne $n$ fixée, la somme en $m$ est : $\sum_{m=0}^\infty u_{m,n} = u_{n,n} + u_{n+1,n} = 1 + (-1) = 0$. Ceci est vrai pour tout $n \ge 0$. Donc, $\sum_{n=0}^\infty (\dots) = \sum_{n=0}^\infty 0 = 0$. **Conclusion :** On a $\sum_{m} \sum_{n} u_{m,n} = 1$ et $\sum_{n} \sum_{m} u_{m,n} = 0$. Les deux sommes itérées existent mais ne sont pas égales. On ne peut donc pas intervertir l'ordre de sommation. **Vérification de l'hypothèse de sommabilité :** Calculons la somme des modules : $$ \sum_{m=0}^\infty \sum_{n=0}^\infty |u_{m,n}| = \sum_{m=0}^\infty ( |u_{m,m}| + |u_{m,m-1}| ) = |u_{0,0}| + \sum_{m=1}^\infty (1+1) = 1 + \sum_{m=1}^\infty 2 = +\infty. $$ La famille n'est pas sommable, ce qui explique pourquoi le théorème de Fubini ne s'applique pas.

Comparer la convergence usuelle et la Césaro-sommabilité. Démontrer qu'une série convergente est Césaro-sommable.

Solution

Définitions :

Soit ∑un\sum u_n une série, sn=∑k=0nuks_n = \sum_{k=0}^n u_k ses sommes partielles.

  • Convergence usuelle : La série converge vers SS si lim⁡n→∞sn=S\lim_{n \to \infty} s_n = S.
  • Césaro-sommabilité : La série est Césaro-sommable vers SS si la suite des moyennes arithmétiques (moyennes de Césaro) de ses sommes partielles converge vers SS. Soit cn=1n+1∑k=0nskc_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n s_k. La série est Césaro-sommable si lim⁡n→∞cn=S\lim_{n \to \infty} c_n = S.

Comparaison :

  • La convergence usuelle est une condition plus forte. Toute série convergente est Césaro-sommable (voir preuve ci-dessous).
  • La réciproque est fausse. Une série peut être Césaro-sommable sans converger. L'exemple classique est la série de Grandi ∑(−1)n\sum (-1)^n, qui diverge mais est Césaro-sommable vers 1/21/2.
  • La Césaro-sommabilité est une méthode de "régularisation" qui peut assigner une valeur à certaines séries divergentes de manière cohérente.

Démonstration (Théorème de Césaro) :

Soit (sn)(s_n) une suite qui converge vers une limite SS. Nous voulons montrer que la suite de ses moyennes (cn)(c_n) converge également vers SS.

  1. Définition de la convergence de (sn)(s_n) :

    ∀ε>0\forall \varepsilon > 0, ∃N0∈N\exists N_0 \in \mathbb{N} tel que ∀k>N0\forall k > N_0, ∣sk−S∣<ε/2|s_k - S| < \varepsilon/2.

  2. Décomposition de la moyenne de Césaro :

    Pour n>N0n > N_0, on sépare la somme définissant cnc_n en deux parties :

    cn−S=1n+1∑k=0nsk−S=1n+1∑k=0n(sk−S)c_n - S = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n s_k - S = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n (s_k - S)

    cn−S=1n+1(∑k=0N0(sk−S)+∑k=N0+1n(sk−S))c_n - S = \frac{1}{n+1} \left( \sum_{k=0}^{N_0} (s_k - S) + \sum_{k=N_0+1}^{n} (s_k - S) \right)

  3. Majoration des deux parties :

    • La première somme est une constante par rapport à nn. Soit K=∣∑k=0N0(sk−S)∣K = \left| \sum_{k=0}^{N_0} (s_k - S) \right|.
    • Pour la seconde somme, on utilise la définition de la convergence : pour k>N0k > N_0, ∣sk−S∣<ε/2|s_k - S| < \varepsilon/2. Il y a n−N0n - N_0 termes dans cette somme.

    On majore le module :

    ∣cn−S∣≤1n+1(∣∑k=0N0(sk−S)∣+∑k=N0+1n∣sk−S∣)|c_n - S| \le \frac{1}{n+1} \left( \left| \sum_{k=0}^{N_0} (s_k - S) \right| + \sum_{k=N_0+1}^{n} |s_k - S| \right)

    ∣cn−S∣≤Kn+1+1n+1∑k=N0+1nε2|c_n - S| \le \frac{K}{n+1} + \frac{1}{n+1} \sum_{k=N_0+1}^{n} \frac{\varepsilon}{2}

    ∣cn−S∣≤Kn+1+n−N0n+1ε2|c_n - S| \le \frac{K}{n+1} + \frac{n - N_0}{n+1} \frac{\varepsilon}{2}

  4. Conclusion :

    • Puisque n−N0n+1<1\frac{n-N_0}{n+1} < 1, on a n−N0n+1ε2<ε2\frac{n - N_0}{n+1} \frac{\varepsilon}{2} < \frac{\varepsilon}{2}.
    • Le terme Kn+1\frac{K}{n+1} tend vers 0 lorsque n→∞n \to \infty. Il existe donc un N1∈NN_1 \in \mathbb{N} tel que pour n>N1n > N_1, Kn+1<ε/2\frac{K}{n+1} < \varepsilon/2.

    Soit N=max⁡(N0,N1)N = \max(N_0, N_1). Pour tout n>Nn > N, on a :

    ∣cn−S∣<ε2+ε2=ε|c_n - S| < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon

    Ceci prouve que lim⁡n→∞cn=S\lim_{n \to \infty} c_n = S.

    Donc, si ∑un\sum u_n converge vers SS, elle est Césaro-sommable vers SS.