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Séries Numériques - preuves (A)

Linéarité des séries convergentes

Prouver que si deux séries un\sum u_n et vn\sum v_n convergent respectivement vers les sommes SuS_u et SvS_v, et si λK\lambda \in \mathbb{K}, alors la série (un+λvn)\sum (u_n + \lambda v_n) converge vers Su+λSvS_u + \lambda S_v.

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 (Sn,u)(S_{n, u}) et (Sn,v)(S_{n, v}) les suites des sommes partielles respectives des séries un\sum u_n et vn\sum v_n.

Étape 1 : Expression de la somme partielle de la combinaison linéaire

Notons SnS_n la somme partielle de la série (un+λvn)\sum (u_n + \lambda v_n). Par linéarité de la somme finie, on a pour tout nNn \in \mathbb{N} :

Sn=k=0n(uk+λvk)=k=0nuk+λk=0nvk=Sn,u+λSn,vS_n = \sum_{k=0}^{n} (u_k + \lambda v_k) = \sum_{k=0}^{n} u_k + \lambda \sum_{k=0}^{n} v_k = S_{n, u} + \lambda S_{n, v}

Étape 2 : Passage à la limite

Puisque un\sum u_n converge vers SuS_u, on a limnSn,u=Su\lim_{n \to \infty} S_{n, u} = S_u.

Puisque vn\sum v_n converge vers SvS_v, on a limnSn,v=Sv\lim_{n \to \infty} S_{n, v} = S_v.

D'après les théorèmes sur les opérations sur les limites de suites :

limnSn=limn(Sn,u+λSn,v)=limnSn,u+λlimnSn,v=Su+λSv\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} (S_{n, u} + \lambda S_{n, v}) = \lim_{n \to \infty} S_{n, u} + \lambda \lim_{n \to \infty} S_{n, v} = S_u + \lambda S_v

Conclusion :

La suite des sommes partielles SnS_n converge vers Su+λSvS_u + \lambda S_v. La série (un+λvn)\sum (u_n + \lambda v_n) est donc convergente et sa somme est Su+λSvS_u + \lambda S_v.

Convergence de la série géométrique

Prouver que la série géométrique n=0rn\sum_{n=0}^{\infty} r^n converge si et seulement si r<1|r| < 1, et que dans ce cas sa somme vaut 11r\frac{1}{1-r}.

Indice

Traitez séparément le cas r=1r=1.

Pour r1r \neq 1, utilisez la formule explicite de la somme partielle d'une suite géométrique : 1+r++rn=1rn+11r1 + r + \dots + r^n = \frac{1-r^{n+1}}{1-r}.

Étudiez ensuite la limite de rn+1r^{n+1} selon les valeurs de rr.

Solution

Soit Sn=k=0nrkS_n = \sum_{k=0}^{n} r^k.

Cas 1 : r=1r = 1

Sn=k=0n1=n+1S_n = \sum_{k=0}^{n} 1 = n+1

La suite (Sn)(S_n) tend vers ++\infty, donc la série diverge.

Cas 2 : r1r \neq 1

On utilise l'identité algébrique classique pour la somme des termes d'une suite géométrique :

Sn=1rn+11r=11rrn+11rS_n = \frac{1 - r^{n+1}}{1 - r} = \frac{1}{1-r} - \frac{r^{n+1}}{1-r}

La convergence de la suite (Sn)(S_n) dépend uniquement de la convergence de la suite (rn+1)(r^{n+1}).

  • Si r<1|r| < 1, alors limnrn+1=0\lim_{n \to \infty} r^{n+1} = 0.

    Donc limnSn=101r=11r\lim_{n \to \infty} S_n = \frac{1 - 0}{1-r} = \frac{1}{1-r}.

  • Si r>1|r| > 1, alors rn+1+|r|^{n+1} \to +\infty, donc la suite (Sn)(S_n) diverge.

  • Si r=1r = -1, alors rn+1r^{n+1} oscille entre 11 et 1-1. La suite (Sn)(S_n) n'a pas de limite.

Conclusion :

La série géométrique converge si et seulement si r<1|r| < 1. Sa somme est alors n=0rn=11r\sum_{n=0}^{\infty} r^n = \frac{1}{1-r}.

Condition nécessaire de convergence

Prouver que si une série un\sum u_n converge, alors limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0.

Indice

Exprimez le terme général unu_n en fonction des sommes partielles SnS_n et Sn1S_{n-1}.

Si la série converge vers une somme SS, vers quelle valeur tendent SnS_n et Sn1S_{n-1} ?

Solution

Soit Sn=k=0nukS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k la somme partielle d'ordre nn.

On suppose que la série converge vers une somme SS, c'est-à-dire que limnSn=S\lim_{n \to \infty} S_n = S.

Étape 1 : Relation entre terme général et sommes partielles

Pour tout n1n \ge 1, on peut écrire :

SnSn1=k=0nukk=0n1uk=unS_n - S_{n-1} = \sum_{k=0}^{n} u_k - \sum_{k=0}^{n-1} u_k = u_n

Étape 2 : Passage à la limite

Puisque nn \to \infty implique n1n-1 \to \infty, on a également limnSn1=S\lim_{n \to \infty} S_{n-1} = S.

En passant à la limite dans l'égalité précédente :

limnun=limn(SnSn1)=limnSnlimnSn1\lim_{n \to \infty} u_n = \lim_{n \to \infty} (S_n - S_{n-1}) = \lim_{n \to \infty} S_n - \lim_{n \to \infty} S_{n-1}

limnun=SS=0\lim_{n \to \infty} u_n = S - S = 0

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 : akak|\sum a_k| \le \sum |a_k|.

Montrez que si la série des modules satisfait le critère de Cauchy, alors la série d'origine le satisfait aussi.

Solution

Soit un\sum u_n une série absolument convergente, c'est-à-dire que la série un\sum |u_n| converge.

Étape 1 : Application du critère de Cauchy à un\sum |u_n|

Comme un\sum |u_n| converge, elle vérifie le critère de Cauchy.

Pour tout ε>0\varepsilon > 0, il existe un entier NN tel que pour tous qp>Nq \ge p > N :

k=pquk<ε\sum_{k=p}^{q} |u_k| < \varepsilon

(Note : on peut enlever la valeur absolue autour de la somme car les termes uk|u_k| sont positifs).

Étape 2 : Utilisation de l'inégalité triangulaire

On cherche à montrer que un\sum u_n vérifie le critère de Cauchy. Considérons la valeur absolue de la tranche de Cauchy pour la série un\sum u_n :

k=pquk\left| \sum_{k=p}^{q} u_k \right|

D'après l'inégalité triangulaire généralisée :

k=pqukk=pquk\left| \sum_{k=p}^{q} u_k \right| \le \sum_{k=p}^{q} |u_k|

Étape 3 : Conclusion

En combinant les deux étapes, pour le même NN, si qp>Nq \ge p > N :

k=pqukk=pquk<ε\left| \sum_{k=p}^{q} u_k \right| \le \sum_{k=p}^{q} |u_k| < \varepsilon

La série un\sum u_n vérifie le critère de Cauchy. Comme R\mathbb{R} et C\mathbb{C} sont complets, la série un\sum u_n est convergente.

Convergence des séries à termes positifs

Prouver qu'une série à termes positifs un\sum u_n converge si et seulement si la suite de ses sommes partielles est majorée.

Indice

Étudiez la monotonie de la suite des sommes partielles (Sn)(S_n).

Rappelez le théorème de la limite monotone pour les suites réelles.

Solution

Soit un\sum u_n une série telle que pour tout nn, un0u_n \ge 0.

Soit (Sn)(S_n) la suite des sommes partielles définie par Sn=k=0nukS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k.

Étape 1 : Monotonie de (Sn)(S_n)

Calculons la différence entre deux termes consécutifs :

Sn+1Sn=un+1S_{n+1} - S_n = u_{n+1}

Comme un+10u_{n+1} \ge 0, on a Sn+1SnS_{n+1} \ge S_n.

La suite (Sn)(S_n) 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 ++\infty.

Conclusion :

La série un\sum u_n converge (c'est-à-dire que la suite (Sn)(S_n) a une limite finie) si et seulement si la suite (Sn)(S_n) est majorée.

Théorème de Comparaison (Cas de convergence)

Soient un\sum u_n et vn\sum v_n deux séries à termes positifs telles que pour tout nn, 0unvn0 \le u_n \le v_n.

Prouver que si vn\sum v_n converge, alors un\sum u_n converge.

Indice

Utilisez le résultat précédent : une série à termes positifs converge ssi ses sommes partielles sont majorées.

Montrez que les sommes partielles de un\sum u_n sont majorées par la somme totale de vn\sum v_n.

Solution

Soient Sn=k=0nukS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k et Tn=k=0nvkT_n = \sum_{k=0}^{n} v_k les sommes partielles respectives.

On suppose que vn\sum v_n converge. Notons T=k=0vkT = \sum_{k=0}^{\infty} v_k sa somme.

Étape 1 : Comparaison des sommes partielles

Puisque 0ukvk0 \le u_k \le v_k pour tout kk, en sommant ces inégalités, on obtient :

Sn=k=0nukk=0nvk=TnS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k \le \sum_{k=0}^{n} v_k = T_n

Étape 2 : Majoration

Puisque la série vn\sum v_n est à termes positifs et converge vers TT, la suite (Tn)(T_n) est croissante et tend vers TT. Donc pour tout nn, TnTT_n \le T.

Il s'ensuit que :

nN,SnT\forall n \in \mathbb{N}, \quad S_n \le T

Conclusion :

La suite (Sn)(S_n) est croissante (car un0u_n \ge 0) et majorée par TT. D'après le théorème de convergence des séries à termes positifs, la série un\sum u_n converge.

Divergence de la série harmonique

Prouver que la série harmonique n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} diverge.

Indice

Une méthode classique consiste à montrer que la série ne vérifie pas le critère de Cauchy.

Estimez la différence S2nSn=k=n+12n1kS_{2n} - S_n = \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k}. Essayez de minorer chaque terme de cette somme par le plus petit d'entre eux.

Solution

Soit Sn=k=1n1kS_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}. Nous allons montrer que la suite (Sn)(S_n) n'est pas de Cauchy.

Étape 1 : Estimation de S2nSnS_{2n} - S_n

Considérons la tranche de termes entre n+1n+1 et 2n2n :

S2nSn=1n+1+1n+2++12nS_{2n} - S_n = \frac{1}{n+1} + \frac{1}{n+2} + \dots + \frac{1}{2n}

Cette somme contient nn termes.

Pour tout kk compris entre n+1n+1 et 2n2n, on a k2nk \le 2n, donc 1k12n\frac{1}{k} \ge \frac{1}{2n}.

Étape 2 : Minoration

S2nSn=k=n+12n1kk=n+12n12n=n×12n=12S_{2n} - S_n = \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k} \ge \sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{2n} = n \times \frac{1}{2n} = \frac{1}{2}

Conclusion :

Pour tout nn, la différence S2nSn1/2|S_{2n} - S_n| \ge 1/2.

Le critère de Cauchy impose que pour tout ε>0\varepsilon > 0, SqSp<ε|S_q - S_p| < \varepsilon pour p,qp, q assez grands.

Ici, si on prend ε=1/2\varepsilon = 1/2, 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 un\sum u_n une série à termes strictement positifs. Prouver que si limnun+1un=L<1\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = L < 1, alors la série un\sum u_n converge.

Indice

L'idée est de comparer la série un\sum u_n à une série géométrique convergente.

Puisque la limite est L<1L < 1, choisissez un rr tel que L<r<1L < r < 1.

Utilisez la définition de la limite pour montrer qu'à partir d'un certain rang NN, un+1runu_{n+1} \le r u_n.

Déduisez-en une majoration de unu_n par le terme d'une suite géométrique.

Solution

Étape 1 : Choix d'une raison géométrique

Comme limnun+1un=L<1\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = L < 1, nous pouvons choisir un nombre réel rr tel que L<r<1L < r < 1.

Par définition de la limite, il existe un rang NNN \in \mathbb{N} tel que pour tout nNn \ge N :

un+1un<r    un+1<run\frac{u_{n+1}}{u_n} < r \implies u_{n+1} < r u_n

Étape 2 : Récurrence et comparaison

Par récurrence, pour tout k1k \ge 1 :

uN+k<rkuNu_{N+k} < r^k u_N

Pour tout n>Nn > N, posons n=N+kn = N+k. Alors :

un<uNrnN=uNrNrnu_n < u_N \cdot r^{n-N} = \frac{u_N}{r^N} \cdot r^n

Posons C=uNrNC = \frac{u_N}{r^N} (une constante). On a donc un<Crnu_n < C r^n pour n>Nn > N.

Conclusion :

Le terme général unu_n est majoré (à partir du rang NN) par CrnC r^n.

La série Crn\sum C r^n est une série géométrique convergente (car r<1|r| < 1).

D'après le théorème de comparaison pour les séries à termes positifs, un\sum u_n converge.

Critère de Cauchy (Règle de la racine) - Cas de divergence

Soit un\sum u_n une série à termes positifs. Prouver que si limnunn=L>1\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = L > 1, alors la série un\sum u_n diverge.

Indice

Si la limite est strictement supérieure à 1, comment se comportent les termes unu_n par rapport à 1 pour nn grand ?

Utilisez le test de divergence grossière (condition nécessaire de convergence).

Solution

Étape 1 : Utilisation de la définition de la limite

Puisque limnunn=L>1\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = L > 1, il existe un rang NN tel que pour tout nNn \ge N :

unn>1\sqrt[n]{u_n} > 1

(On peut par exemple prendre ε=L1>0\varepsilon = L-1 > 0, alors unn>Lε=1\sqrt[n]{u_n} > L - \varepsilon = 1).

Étape 2 : Comportement du terme général

Si unn>1\sqrt[n]{u_n} > 1, en élevant à la puissance nn, on obtient :

un>1n=1u_n > 1^n = 1

Pour tout nNn \ge N, un>1u_n > 1.

Conclusion :

La suite (un)(u_n) ne peut pas converger vers 0 (puisqu'elle reste supérieure à 1).

La condition nécessaire de convergence (limun=0\lim u_n = 0) n'est pas satisfaite.

Donc, la série un\sum u_n diverge.

Somme d'une série télescopique

Soit (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite convergente vers une limite aa. Prouver que la série n=0(anan+1)\sum_{n=0}^{\infty} (a_n - a_{n+1}) converge et que sa somme est a0aa_0 - a.

Indice

Écrivez explicitement la somme partielle SnS_n.

Observez comment les termes s'annulent (télescopage).

Passez à la limite.

Solution

Soit un=anan+1u_n = a_n - a_{n+1}.

Calculons la somme partielle d'ordre NN, notée SNS_N.

Étape 1 : Calcul de la somme partielle

SN=n=0N(anan+1)S_N = \sum_{n=0}^{N} (a_n - a_{n+1})

En développant la somme :

SN=(a0a1)+(a1a2)+(a2a3)++(aNaN+1)S_N = (a_0 - a_1) + (a_1 - a_2) + (a_2 - a_3) + \dots + (a_N - a_{N+1})

Les termes intermédiaires s'annulent deux à deux : a1-a_1 avec a1a_1, a2-a_2 avec a2a_2, etc.

Il ne reste que le premier terme de la première parenthèse et le dernier terme de la dernière parenthèse :

SN=a0aN+1S_N = a_0 - a_{N+1}

Étape 2 : Passage à la limite

On sait que limNaN=a\lim_{N \to \infty} a_N = a. Cela implique que limNaN+1=a\lim_{N \to \infty} a_{N+1} = a.

Donc :

limNSN=a0limNaN+1=a0a\lim_{N \to \infty} S_N = a_0 - \lim_{N \to \infty} a_{N+1} = a_0 - a

Conclusion :

La suite des sommes partielles converge. La série est convergente et sa somme vaut n=0(anan+1)=a0a\sum_{n=0}^{\infty} (a_n - a_{n+1}) = a_0 - a.