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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 (un)n0(u_n)_{n\geq0} est une application NR\mathbb{N}\to\mathbb{R}.

Convergence : (un)(u_n) converge vers \ell si ε>0,N,nNun<ε\forall\varepsilon>0, \exists N, n\geq N\Rightarrow|u_n-\ell|<\varepsilon.

Suites monotones bornées : toute suite croissante et majorée (ou décroissante et minorée) converge.

Théorème des suites adjacentes : si (un)(u_n) croissante, (vn)(v_n) décroissante, vnun0v_n-u_n\to0, alors elles convergent vers la même limite.

2. Séries numériques

La série de terme général ana_n est n=0an\sum_{n=0}^\infty a_n. Sa somme partielle est SN=n=0NanS_N=\sum_{n=0}^N a_n.

La série converge si (SN)(S_N) converge. Sa somme est S=limNSNS=\lim_{N\to\infty}S_N.

Condition nécessaire : si an\sum a_n converge, alors an0a_n\to0. La réciproque est fausse (1/n\sum 1/n diverge).

3. Séries de référence

- Série géométrique : n=0rn=11r\sum_{n=0}^\infty r^n = \frac{1}{1-r} si r<1|r|<1, diverge si r1|r|\geq1.
- Série de Riemann : n=11nα\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^\alpha} converge si α>1\alpha>1, diverge si α1\alpha\leq1.
- Série harmonique : 1/n\sum 1/n diverge.

4. Critères de convergence

Critère de comparaison : 0anbn0\leq a_n\leq b_n et bn\sum b_n converge \Rightarrow an\sum a_n converge.

Critère des équivalents : si anbna_n\sim b_n (an/bn1a_n/b_n\to1), les séries an\sum a_n et bn\sum b_n ont même nature.

Critère de d'Alembert : si an+1/anL|a_{n+1}/a_n|\to L :
- L<1L<1 : convergence absolue
- L>1L>1 : divergence
- L=1L=1 : non concluant

Critère de Cauchy : si an1/nL|a_n|^{1/n}\to L, même conclusion que d'Alembert.

5. Convergence absolue

an\sum a_n converge absolument si an\sum|a_n| converge. La convergence absolue implique la convergence.

Critère des séries alternées (Leibniz) : si (an)(|a_n|) est décroissante tendant vers 00, alors (1)nan\sum(-1)^n a_n converge.

Exercices de la leçon

Exercice 1

La série n=0(1/2)n\sum_{n=0}^\infty (1/2)^n est égale à :

Corrigé

Série géométrique de raison r=1/2<1r=1/2<1. Somme =1/(11/2)=2=1/(1-1/2)=2.

Exercice 2

Vrai ou faux : n=11/n\sum_{n=1}^\infty 1/n converge.

Corrigé

Faux. La série harmonique 1/n\sum 1/n est une série de Riemann avec α=11\alpha=1\leq1 : elle diverge.

Exercice 3

La série n2\sum n^{-2} (série de Riemann α=2\alpha=2) :

Corrigé

α=2>1\alpha=2>1 donc convergence. La somme est π2/6\pi^2/6 (résultat d'Euler). C'est la solution du problème de Bâle.

Exercice 4

Vrai ou faux : Si an0a_n\to0, alors an\sum a_n converge.

Corrigé

Faux. an=1/n0a_n=1/n\to0 mais 1/n\sum1/n diverge. La condition an0a_n\to0 est nécessaire mais non suffisante.

Exercice 5

Appliquer le critère de d'Alembert à n!/nn\sum n!/n^n. Que vaut liman+1/an\lim|a_{n+1}/a_n| ?

Corrigé

an+1an=(n+1)!(n+1)n+1nnn!=(nn+1)n=1(1+1/n)n1/e<1\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}}\cdot\frac{n^n}{n!}=\left(\frac{n}{n+1}\right)^n=\frac{1}{(1+1/n)^n}\to1/e<1. Donc convergence.

Exercice 6

Étudier la nature de n=11n(n+1)\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n(n+1)}.

Corrigé

Décomposition en éléments simples :
1n(n+1)=1n1n+1\frac{1}{n(n+1)}=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1} (série télescopique).

SN=n=1N(1n1n+1)=11N+11S_N=\sum_{n=1}^N\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right)=1-\frac{1}{N+1}\to1.

La série converge et sa somme est 11.

Exercice 7

Vrai ou faux : La série (1)n/n\sum(-1)^n/n converge.

Corrigé

Vrai. Par le critère de Leibniz : an=1/na_n=1/n est décroissante et tend vers 00. Donc (1)n/n\sum(-1)^n/n converge (mais pas absolument).

Exercice 8

Appliquer d'Alembert à n2/2n\sum n^2/2^n.

Corrigé

an+1/an=(n+1)22n+12nn2=(n+1)22n212<1|a_{n+1}/a_n|=\frac{(n+1)^2}{2^{n+1}}\cdot\frac{2^n}{n^2}=\frac{(n+1)^2}{2n^2}\to\frac{1}{2}<1. La série converge absolument.

Exercice 9

Vrai ou faux : La convergence absolue implique la convergence.

Corrigé

Vrai. Si an\sum|a_n| converge, alors an\sum a_n converge aussi. La réciproque est fausse ((1)n/n\sum(-1)^n/n converge mais pas absolument).

Exercice 10

Quelle est la somme de n=0(1)nxn\sum_{n=0}^\infty (-1)^n x^n pour x<1|x|<1 ?

Corrigé

n=0(1)nxn=n=0(x)n=11(x)=11+x\sum_{n=0}^\infty(-1)^nx^n=\sum_{n=0}^\infty(-x)^n=\frac{1}{1-(-x)}=\frac{1}{1+x} (série géométrique de raison x-x, x=x<1|-x|=|x|<1).

Exercice 11

Montrer que n=11/n2\sum_{n=1}^\infty 1/n^2 converge par comparaison.

Corrigé

Pour n2n\geq2 : 1n21n(n1)=1n11n\frac{1}{n^2}\leq\frac{1}{n(n-1)}=\frac{1}{n-1}-\frac{1}{n}.

n=2N1n(n1)=11N1\sum_{n=2}^N\frac{1}{n(n-1)}=1-\frac{1}{N}\to1.

Par comparaison, n=21n2\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^2} converge, donc n=11n2=1+n=21n2\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2}=1+\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^2} converge aussi. \square

Exercice 12

Vrai ou faux : Si an\sum a_n et bn\sum b_n convergent, alors anbn\sum a_n b_n converge.

Corrigé

Faux. Contre-exemple : an=bn=(1)n/na_n=b_n=(-1)^n/\sqrt{n}. an\sum a_n converge (Leibniz), mais anbn=1/n\sum a_nb_n=\sum1/n diverge.

Exercice 13

Calculer la somme de n=0nxn\sum_{n=0}^\infty nx^n pour x<1|x|<1.

Corrigé

On sait que f(x)=n=0xn=11xf(x)=\sum_{n=0}^\infty x^n=\frac{1}{1-x} pour x<1|x|<1.

En dérivant terme à terme (permis sur x<1|x|<1) :
f(x)=n=1nxn1=1(1x)2f'(x)=\sum_{n=1}^\infty nx^{n-1}=\frac{1}{(1-x)^2}.

En multipliant par xx : n=1nxn=x(1x)2\sum_{n=1}^\infty nx^n=\frac{x}{(1-x)^2}.

Exercice 14

Étudier la convergence de n=1sinnn2\sum_{n=1}^\infty\frac{\sin n}{n^2}.

Corrigé

Pour tout n1n\geq1 : sinn/n21/n2|\sin n/n^2|\leq1/n^2.

Or 1/n2\sum1/n^2 converge (Riemann, α=2>1\alpha=2>1).

Par comparaison des valeurs absolues, sinn/n2\sum|\sin n/n^2| converge, donc sinn/n2\sum\sin n/n^2 converge absolument.

Exercice 15

Vrai ou faux : Si (SN)(S_N) est bornée et les ana_n sont positifs décroissants tendant vers 00, alors an\sum a_n converge.

Corrigé

Faux. (SN)(S_N) croissante bornée converge. Mais ici les an>0a_n>0 donc SNS_N est croissante. Si elle est bornée ET les an>0a_n>0 alors effectivement SNS_N converge. En fait cela est vrai pour an>0a_n>0 : croissante bornée \Rightarrow convergente. Réponse correcte : Vrai.

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