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Licence 2 · Analyse L2 — Séries et intégrales généralisées
Suites et séries numériques
Suites et séries numériques
1. Suites numériques
Une suite est une application .
Convergence : converge vers si .
Suites monotones bornées : toute suite croissante et majorée (ou décroissante et minorée) converge.
Théorème des suites adjacentes : si croissante, décroissante, , alors elles convergent vers la même limite.
2. Séries numériques
La série de terme général est . Sa somme partielle est .
La série converge si converge. Sa somme est .
Condition nécessaire : si converge, alors . La réciproque est fausse ( diverge).
3. Séries de référence
- Série géométrique : si , diverge si .
- Série de Riemann : converge si , diverge si .
- Série harmonique : diverge.
4. Critères de convergence
Critère de comparaison : et converge converge.
Critère des équivalents : si (), les séries et ont même nature.
Critère de d'Alembert : si :
- : convergence absolue
- : divergence
- : non concluant
Critère de Cauchy : si , même conclusion que d'Alembert.
5. Convergence absolue
converge absolument si converge. La convergence absolue implique la convergence.
Critère des séries alternées (Leibniz) : si est décroissante tendant vers , alors converge.
Exercices de la leçon
Exercice 1
La série est égale à :
Corrigé
Série géométrique de raison . Somme .
Exercice 2
Vrai ou faux : converge.
Corrigé
Faux. La série harmonique est une série de Riemann avec : elle diverge.
Exercice 3
La série (série de Riemann ) :
Corrigé
donc convergence. La somme est (résultat d'Euler). C'est la solution du problème de Bâle.
Exercice 4
Vrai ou faux : Si , alors converge.
Corrigé
Faux. mais diverge. La condition est nécessaire mais non suffisante.
Exercice 5
Appliquer le critère de d'Alembert à . Que vaut ?
Corrigé
. Donc convergence.
Exercice 6
Étudier la nature de .
Corrigé
Décomposition en éléments simples :
(série télescopique).
.
La série converge et sa somme est .
Exercice 7
Vrai ou faux : La série converge.
Corrigé
Vrai. Par le critère de Leibniz : est décroissante et tend vers . Donc converge (mais pas absolument).
Exercice 8
Appliquer d'Alembert à .
Corrigé
. La série converge absolument.
Exercice 9
Vrai ou faux : La convergence absolue implique la convergence.
Corrigé
Vrai. Si converge, alors converge aussi. La réciproque est fausse ( converge mais pas absolument).
Exercice 10
Quelle est la somme de pour ?
Corrigé
(série géométrique de raison , ).
Exercice 11
Montrer que converge par comparaison.
Corrigé
Pour : .
.
Par comparaison, converge, donc converge aussi.
Exercice 12
Vrai ou faux : Si et convergent, alors converge.
Corrigé
Faux. Contre-exemple : . converge (Leibniz), mais diverge.
Exercice 13
Calculer la somme de pour .
Corrigé
On sait que pour .
En dérivant terme à terme (permis sur ) :
.
En multipliant par : .
Exercice 14
Étudier la convergence de .
Corrigé
Pour tout : .
Or converge (Riemann, ).
Par comparaison des valeurs absolues, converge, donc converge absolument.
Exercice 15
Vrai ou faux : Si est bornée et les sont positifs décroissants tendant vers , alors converge.
Corrigé
Faux. croissante bornée converge. Mais ici les donc est croissante. Si elle est bornée ET les alors effectivement converge. En fait cela est vrai pour : croissante bornée convergente. Réponse correcte : Vrai.
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