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Séries Numériques - preuves (A)
Linéarité des séries convergentes
Prouver que si deux séries et convergent respectivement vers les sommes et , et si , alors la série converge vers .
Indice
Revenez à la définition de la convergence d'une série via la suite de ses sommes partielles.
Utilisez les propriétés de linéarité de la somme finie et les propriétés des limites de suites (limite d'une somme, limite d'un produit).
Solution
Soient et les suites des sommes partielles respectives des séries et .
Étape 1 : Expression de la somme partielle de la combinaison linéaire
Notons la somme partielle de la série . Par linéarité de la somme finie, on a pour tout :
Étape 2 : Passage à la limite
Puisque converge vers , on a .
Puisque converge vers , on a .
D'après les théorèmes sur les opérations sur les limites de suites :
Conclusion :
La suite des sommes partielles converge vers . La série est donc convergente et sa somme est .
Convergence de la série géométrique
Prouver que la série géométrique converge si et seulement si , et que dans ce cas sa somme vaut .
Indice
Traitez séparément le cas .
Pour , utilisez la formule explicite de la somme partielle d'une suite géométrique : .
Étudiez ensuite la limite de selon les valeurs de .
Solution
Soit .
Cas 1 :
La suite tend vers , donc la série diverge.
Cas 2 :
On utilise l'identité algébrique classique pour la somme des termes d'une suite géométrique :
La convergence de la suite dépend uniquement de la convergence de la suite .
-
Si , alors .
Donc .
-
Si , alors , donc la suite diverge.
-
Si , alors oscille entre et . La suite n'a pas de limite.
Conclusion :
La série géométrique converge si et seulement si . Sa somme est alors .
Condition nécessaire de convergence
Prouver que si une série converge, alors .
Indice
Exprimez le terme général en fonction des sommes partielles et .
Si la série converge vers une somme , vers quelle valeur tendent et ?
Solution
Soit la somme partielle d'ordre .
On suppose que la série converge vers une somme , c'est-à-dire que .
Étape 1 : Relation entre terme général et sommes partielles
Pour tout , on peut écrire :
Étape 2 : Passage à la limite
Puisque implique , on a également .
En passant à la limite dans l'égalité précédente :
Conclusion :
Si la série converge, son terme général tend nécessairement vers 0.
Convergence absolue implique convergence
Prouver que toute série numérique absolument convergente est convergente.
Indice
Utilisez le Critère de Cauchy pour les séries.
Rappelez l'inégalité triangulaire pour une somme finie : .
Montrez que si la série des modules satisfait le critère de Cauchy, alors la série d'origine le satisfait aussi.
Solution
Soit une série absolument convergente, c'est-à-dire que la série converge.
Étape 1 : Application du critère de Cauchy à
Comme converge, elle vérifie le critère de Cauchy.
Pour tout , il existe un entier tel que pour tous :
(Note : on peut enlever la valeur absolue autour de la somme car les termes sont positifs).
Étape 2 : Utilisation de l'inégalité triangulaire
On cherche à montrer que vérifie le critère de Cauchy. Considérons la valeur absolue de la tranche de Cauchy pour la série :
D'après l'inégalité triangulaire généralisée :
Étape 3 : Conclusion
En combinant les deux étapes, pour le même , si :
La série vérifie le critère de Cauchy. Comme et sont complets, la série est convergente.
Convergence des séries à termes positifs
Prouver qu'une série à termes positifs converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est majorée.
Indice
Étudiez la monotonie de la suite des sommes partielles .
Rappelez le théorème de la limite monotone pour les suites réelles.
Solution
Soit une série telle que pour tout , .
Soit la suite des sommes partielles définie par .
Étape 1 : Monotonie de
Calculons la différence entre deux termes consécutifs :
Comme , on a .
La suite est donc croissante.
Étape 2 : Application du théorème de la limite monotone
D'après le théorème de convergence des suites monotones :
- Si une suite croissante est majorée, alors elle converge vers une limite finie.
- Si une suite croissante n'est pas majorée, alors elle tend vers .
Conclusion :
La série converge (c'est-à-dire que la suite a une limite finie) si et seulement si la suite est majorée.
Théorème de Comparaison (Cas de convergence)
Soient et deux séries à termes positifs telles que pour tout , .
Prouver que si converge, alors converge.
Indice
Utilisez le résultat précédent : une série à termes positifs converge ssi ses sommes partielles sont majorées.
Montrez que les sommes partielles de sont majorées par la somme totale de .
Solution
Soient et les sommes partielles respectives.
On suppose que converge. Notons sa somme.
Étape 1 : Comparaison des sommes partielles
Puisque pour tout , en sommant ces in égalités, on obtient :
Étape 2 : Majoration
Puisque la série est à termes positifs et converge vers , la suite est croissante et tend vers . Donc pour tout , .
Il s'ensuit que :
Conclusion :
La suite est croissante (car ) et majorée par . D'après le théorème de convergence des séries à termes positifs, la série converge.
Divergence de la série harmonique
Prouver que la série harmonique diverge.
Indice
Une méthode classique consiste à montrer que la série ne vérifie pas le critère de Cauchy.
Estimez la différence . Essayez de minorer chaque terme de cette somme par le plus petit d'entre eux.
Solution
Soit . Nous allons montrer que la suite n'est pas de Cauchy.
Étape 1 : Estimation de
Considérons la tranche de termes entre et :
Cette somme contient termes.
Pour tout compris entre et , on a , donc .
Étape 2 : Minoration
Conclusion :
Pour tout , la différence .
Le critère de Cauchy impose que pour tout , pour assez grands.
Ici, si on prend , on ne pourra jamais satisfaire la condition. La suite des sommes partielles n'est pas de Cauchy, donc la série diverge.
Critère de d'Alembert (Cas de convergence)
Soit une série à termes strictement positifs. Prouver que si , alors la série converge.
Indice
L'idée est de comparer la série à une série géométrique convergente.
Puisque la limite est , choisissez un tel que .
Utilisez la définition de la limite pour montrer qu'à partir d'un certain rang , .
Déduisez-en une majoration de par le terme d'une suite géométrique.
Solution
Étape 1 : Choix d'une raison géométrique
Comme , nous pouvons choisir un nombre réel tel que .
Par définition de la limite, il existe un rang tel que pour tout :
Étape 2 : Récurrence et comparaison
Par récurrence, pour tout :
Pour tout , posons . Alors :
Posons (une constante). On a donc pour .
Conclusion :
Le terme général est majoré (à partir du rang ) par .
La série est une série géométrique convergente (car ).
D'après le théorème de comparaison pour les séries à termes positifs, converge.
Critère de Cauchy (Règle de la racine) - Cas de divergence
Soit une série à termes positifs. Prouver que si , alors la série diverge.
Indice
Si la limite est strictement supérieure à 1, comment se comportent les termes par rapport à 1 pour grand ?
Utilisez le test de divergence grossière (condition nécessaire de convergence).
Solution
Étape 1 : Utilisation de la définition de la limite
Puisque , il existe un rang tel que pour tout :
(On peut par exemple prendre , alors ).
Étape 2 : Comportement du terme général
Si , en élevant à la puissance , on obtient :
Pour tout , .
Conclusion :
La suite ne peut pas converger vers 0 (puisqu'elle reste supérieure à 1).
La condition nécessaire de convergence () n'est pas satisfaite.
Donc, la série diverge.
Somme d'une série télescopique
Soit une suite convergente vers une limite . Prouver que la série converge et que sa somme est .
Indice
Écrivez explicitement la somme partielle .
Observez comment les termes s'annulent (télescopage).
Passez à la limite.
Solution
Soit .
Calculons la somme partielle d'ordre , notée .
Étape 1 : Calcul de la somme partielle
En développant la somme :
Les termes intermédiaires s'annulent deux à deux : avec , avec , etc.
Il ne reste que le premier terme de la première parenthèse et le dernier terme de la dernière parenthèse :
Étape 2 : Passage à la limite
On sait que . Cela implique que .
Donc :
Conclusion :
La suite des sommes partielles converge. La série est convergente et sa somme vaut .