Éducation nationale françaiseOption Mathématiques expertesTerminale générale25 min de lecture

Suites et séries numériques

Il existe plusieurs façons de définir une suite : Suite définie explicitement (ou par une formule directe) : Chaque terme est donné directement en fonction de son indice .

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Chapitre 1

Rappels sur les suites numériques

Définition et modes de génération d'une suite

Il existe plusieurs façons de définir une suite :

  • Suite définie explicitement (ou par une formule directe) : Chaque terme unu_n est donné directement en fonction de son indice nn. C'est comme une fonction f:N→Rf: \mathbb{N} \to \mathbb{R} où un=f(n)u_n = f(n).

    • Exemple : La suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par un=2n+3u_n = 2n + 3. Pour trouver u0u_0, on remplace nn par 00: u0=2(0)+3=3u_0 = 2(0) + 3 = 3. Pour trouver u1u_1, on remplace nn par 11: u1=2(1)+3=5u_1 = 2(1) + 3 = 5. Pour trouver u5u_5, on remplace nn par 55: u5=2(5)+3=13u_5 = 2(5) + 3 = 13.
    • Avantage : On peut calculer n'importe quel terme directement sans connaître les précédents.
  • Suite définie par récurrence : Le premier terme (ou les premiers termes) est donné, et chaque terme suivant est défini en fonction du ou des termes précédents.

    • Exemple : La suite (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=2un−1u_{n+1} = 2u_n - 1 pour tout n∈Nn \in \mathbb{N}. Pour trouver u1u_1: u1=2u0−1=2(1)−1=1u_1 = 2u_0 - 1 = 2(1) - 1 = 1. Pour trouver u2u_2: u2=2u1−1=2(1)−1=1u_2 = 2u_1 - 1 = 2(1) - 1 = 1. (Dans cet exemple, la suite est constante à partir de u0=1u_0=1.)
    • Exemple 2 : u0=2u_0 = 2 et un+1=un+nu_{n+1} = u_n + n. u0=2u_0 = 2 u1=u0+0=2+0=2u_1 = u_0 + 0 = 2 + 0 = 2 u2=u1+1=2+1=3u_2 = u_1 + 1 = 2 + 1 = 3 u3=u2+2=3+2=5u_3 = u_2 + 2 = 3 + 2 = 5
    • Désavantage : Pour calculer unu_n, il faut généralement calculer tous les termes précédents.
  • Représentation graphique d'une suite : On représente les termes d'une suite (un)(u_n) par des points (n,un)(n, u_n) dans un repère. Pour une suite définie par récurrence un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), on peut utiliser la droite d'équation y=xy=x et la courbe représentative de ff.

    1. Placer u0u_0 sur l'axe des abscisses.
    2. Monter (ou descendre) jusqu'à la courbe de ff pour trouver f(u0)=u1f(u_0) = u_1 (ordonnée du point).
    3. Se déplacer horizontalement jusqu'à la droite y=xy=x pour ramener u1u_1 sur l'axe des abscisses.
    4. Répéter le processus pour trouver u2u_2, u3u_3, etc. Cette méthode permet de visualiser le comportement de la suite (convergence, divergence, oscillation).

Sens de variation d'une suite

Le sens de variation d'une suite décrit si ses termes augmentent, diminuent ou restent constants.

  • Une suite (un)(u_n) est croissante si pour tout nn, un+1≥unu_{n+1} \ge u_n.

    • Si un+1>unu_{n+1} > u_n, la suite est strictement croissante.
  • Une suite (un)(u_n) est décroissante si pour tout nn, un+1≤unu_{n+1} \le u_n.

    • Si un+1<unu_{n+1} < u_n, la suite est strictement décroissante.
  • Une suite est constante si pour tout nn, un+1=unu_{n+1} = u_n.

  • Une suite est monotone si elle est soit croissante, soit décroissante (soit constante).

  • Démonstration du sens de variation : Pour étudier le sens de variation, on étudie le signe de la différence un+1−unu_{n+1} - u_n.

    1. Si un+1−un>0u_{n+1} - u_n > 0 pour tout nn, alors (un)(u_n) est strictement croissante.
    2. Si un+1−un<0u_{n+1} - u_n < 0 pour tout nn, alors (un)(u_n) est strictement décroissante.
    3. Si un+1−un=0u_{n+1} - u_n = 0 pour tout nn, alors (un)(u_n) est constante.
    • Exemple : un=n2+nu_n = n^2 + n. un+1−un=((n+1)2+(n+1))−(n2+n)u_{n+1} - u_n = ((n+1)^2 + (n+1)) - (n^2 + n) =(n2+2n+1+n+1)−(n2+n)= (n^2 + 2n + 1 + n + 1) - (n^2 + n) =n2+3n+2−n2−n= n^2 + 3n + 2 - n^2 - n =2n+2= 2n + 2 Pour n∈Nn \in \mathbb{N}, 2n+2>02n+2 > 0. Donc la suite (un)(u_n) est strictement croissante.

    Si tous les termes de la suite sont strictement positifs, on peut aussi étudier le rapport un+1un\frac{u_{n+1}}{u_n} par rapport à 1.

    1. Si un+1un>1\frac{u_{n+1}}{u_n} > 1 pour tout nn, alors (un)(u_n) est strictement croissante.
    2. Si un+1un<1\frac{u_{n+1}}{u_n} < 1 pour tout nn, alors (un)(u_n) est strictement décroissante. Cette méthode est souvent utilisée pour les suites définies par un produit ou une puissance.

Suites arithmétiques et géométriques

Ces deux types de suites sont fondamentales en mathématiques.

  • Définition et terme général d'une suite arithmétique : Une suite (un)(u_n) est arithmétique si la différence entre deux termes consécutifs est constante. Cette constante est appelée la raison de la suite, notée rr.

    • Pour tout nn, un+1=un+ru_{n+1} = u_n + r.
    • Le terme général est donné par un=up+(n−p)ru_n = u_p + (n-p)r. Si p=0p=0, un=u0+nru_n = u_0 + nr. Si p=1p=1, un=u1+(n−1)ru_n = u_1 + (n-1)r.
    • Exemple : u0=5u_0 = 5, r=3r=3. La suite est 5,8,11,14,…5, 8, 11, 14, \dots. Le terme général est un=5+3nu_n = 5 + 3n.
  • Somme des termes d'une suite arithmétique : La somme des NN premiers termes d'une suite arithmétique, de upu_p à uku_k, est donnée par la formule : S=up+up+1+⋯+uk=(nombre de termes)×premier terme+dernier terme2S = u_p + u_{p+1} + \dots + u_k = (\text{nombre de termes}) \times \frac{\text{premier terme} + \text{dernier terme}}{2}. Le nombre de termes est k−p+1k - p + 1. Donc, S=(k−p+1)×up+uk2S = (k-p+1) \times \frac{u_p + u_k}{2}.

    • Cas particulier : Somme des n+1n+1 premiers termes (de u0u_0 à unu_n) : Sn+1=(n+1)×u0+un2S_{n+1} = (n+1) \times \frac{u_0 + u_n}{2}.
    • Exemple : Somme des 100 premiers entiers : 1+2+⋯+100=100×1+1002=50×101=50501+2+\dots+100 = 100 \times \frac{1+100}{2} = 50 \times 101 = 5050.
  • Définition et terme général d'une suite géométrique : Une suite (un)(u_n) est géométrique si le rapport entre deux termes consécutifs est constant. Cette constante est appelée la raison de la suite, notée qq.

    • Pour tout nn, un+1=un×qu_{n+1} = u_n \times q.
    • Le terme général est donné par un=up×qn−pu_n = u_p \times q^{n-p}. Si p=0p=0, un=u0×qnu_n = u_0 \times q^n. Si p=1p=1, un=u1×qn−1u_n = u_1 \times q^{n-1}.
    • Exemple : u0=2u_0 = 2, q=3q=3. La suite est 2,6,18,54,…2, 6, 18, 54, \dots. Le terme général est un=2×3nu_n = 2 \times 3^n.
  • Somme des termes d'une suite géométrique : La somme des NN premiers termes d'une suite géométrique, de upu_p à uku_k, est donnée par la formule (si q≠1q \neq 1) : S=up+up+1+⋯+uk=premier terme×1−qnombre de termes1−qS = u_p + u_{p+1} + \dots + u_k = \text{premier terme} \times \frac{1 - q^{\text{nombre de termes}}}{1 - q}. Le nombre de termes est k−p+1k - p + 1. Donc, S=up×1−qk−p+11−qS = u_p \times \frac{1 - q^{k-p+1}}{1 - q}.

    • Cas particulier : Somme des n+1n+1 premiers termes (de u0u_0 à unu_n) : Sn+1=u0×1−qn+11−qS_{n+1} = u_0 \times \frac{1 - q^{n+1}}{1 - q}.
    • Si q=1q=1, la suite est constante, et S=(nombre de termes)×upS = (\text{nombre de termes}) \times u_p.
    • Exemple : u0=1u_0 = 1, q=2q=2. Somme des 5 premiers termes : 1+2+4+8+16=1×1−251−2=1−32−1=311+2+4+8+16 = 1 \times \frac{1 - 2^5}{1 - 2} = \frac{1 - 32}{-1} = 31.
Chapitre 2

Convergence des suites numériques

Limite d'une suite

  • Définition intuitive de la limite : Lorsque nn devient de plus en plus grand, les termes unu_n de la suite se rapprochent-ils d'une valeur particulière ? Ou deviennent-ils arbitrairement grands (en positif ou négatif) ?

  • Limite finie (convergence) : Une suite (un)(u_n) converge vers un réel LL si, pour tout intervalle ouvert contenant LL, tous les termes de la suite à partir d'un certain rang NN appartiennent à cet intervalle. On écrit lim⁡n→+∞un=L\lim_{n \to +\infty} u_n = L. Intuitivement, les termes de la suite s'accumulent autour de LL lorsque nn est grand.

    • Exemple : La suite un=1nu_n = \frac{1}{n}. Les termes sont 1,12,13,…1, \frac{1}{2}, \frac{1}{3}, \dots. Lorsque nn devient très grand, 1n\frac{1}{n} s'approche de 00. Donc lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0. La suite converge vers 00.
  • Limite infinie (divergence) : Une suite (un)(u_n) diverge vers +∞+\infty si, pour tout réel AA, tous les termes de la suite à partir d'un certain rang NN sont supérieurs à AA. On écrit lim⁡n→+∞un=+∞\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty. De même, une suite diverge vers −∞-\infty si lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty.

    • Exemple : La suite un=n2u_n = n^2. lim⁡n→+∞n2=+∞\lim_{n \to +\infty} n^2 = +\infty. La suite diverge.
    • Exemple : La suite un=−nu_n = -n. lim⁡n→+∞−n=−∞\lim_{n \to +\infty} -n = -\infty. La suite diverge.

    Si une suite ne converge pas vers une limite finie et ne diverge pas vers ±∞\pm\infty, elle est dite divergente sans limite infinie (ex: suite alternée un=(−1)nu_n = (-1)^n).

Propriétés des limites de suites

Ces propriétés sont essentielles pour calculer des limites complexes.

  • Opérations sur les limites : Soient (un)(u_n) et (vn)(v_n) deux suites convergeant vers LuL_u et LvL_v respectivement.

    OpérationLimite de un+vnu_n + v_nLimite de un×vnu_n \times v_nLimite de unvn\frac{u_n}{v_n} (vn≠0v_n \neq 0)
    Cas généralLu+LvL_u + L_vLu×LvL_u \times L_vLuLv\frac{L_u}{L_v} (si Lv≠0L_v \neq 0)
    Formes indéterminées+∞−∞+\infty - \infty0×∞0 \times \infty00\frac{0}{0}, ∞∞\frac{\infty}{\infty}

    Attention aux formes indéterminées ! Dans ces cas, il faut souvent transformer l'expression de la suite (factorisation, conjugué, etc.) pour lever l'indétermination.

  • Théorèmes de comparaison : Ces théorèmes permettent de déterminer la limite d'une suite en la comparant à d'autres suites dont la limite est connue.

    • Si pour tout n≥N0n \ge N_0, un≤vnu_n \le v_n et lim⁡n→+∞un=+∞\lim_{n \to +\infty} u_n = +\infty, alors lim⁡n→+∞vn=+∞\lim_{n \to +\infty} v_n = +\infty. (Si une suite est plus grande qu'une suite qui tend vers +∞+\infty, alors elle tend aussi vers +∞+\infty.)
    • Si pour tout n≥N0n \ge N_0, un≤vnu_n \le v_n et lim⁡n→+∞vn=−∞\lim_{n \to +\infty} v_n = -\infty, alors lim⁡n→+∞un=−∞\lim_{n \to +\infty} u_n = -\infty. (Si une suite est plus petite qu'une suite qui tend vers −∞-\infty, alors elle tend aussi vers −∞-\infty.)
  • Théorème des gendarmes (ou théorème d'encadrement) : Soient trois suites (un)(u_n), (vn)(v_n) et (wn)(w_n). Si pour tout n≥N0n \ge N_0, un≤vn≤wnu_n \le v_n \le w_n, et si lim⁡n→+∞un=L\lim_{n \to +\infty} u_n = L et lim⁡n→+∞wn=L\lim_{n \to +\infty} w_n = L (avec LL un réel), alors ==lim⁡n→+∞vn=L\lim_{n \to +\infty} v_n = L==.

    • Exemple : vn=sin⁡(n)nv_n = \frac{\sin(n)}{n}. On sait que −1≤sin⁡(n)≤1-1 \le \sin(n) \le 1. Donc −1n≤sin⁡(n)n≤1n\frac{-1}{n} \le \frac{\sin(n)}{n} \le \frac{1}{n}. Comme lim⁡n→+∞−1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{-1}{n} = 0 et lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0, alors par le théorème des gendarmes, lim⁡n→+∞sin⁡(n)n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{\sin(n)}{n} = 0.

Suites monotones et bornées

Ces concepts sont cruciaux pour prouver la convergence d'une suite sans connaître sa limite exacte.

  • Suite majorée, minorée, bornée :

    • Une suite (un)(u_n) est majorée s'il existe un réel MM tel que pour tout nn, un≤Mu_n \le M. (La suite ne dépasse jamais MM).
    • Une suite (un)(u_n) est minorée s'il existe un réel mm tel que pour tout nn, un≥mu_n \ge m. (La suite n'est jamais en dessous de mm).
    • Une suite (un)(u_n) est bornée si elle est à la fois majorée et minorée. (Ses termes sont compris entre deux valeurs mm et MM).
  • Théorème de convergence monotone : Ce théorème est un résultat fondamental :

    • Toute suite croissante et majorée converge.
    • Toute suite décroissante et minorée converge.
    • Toute suite croissante et non majorée diverge vers +∞+\infty.
    • Toute suite décroissante et non minorée diverge vers −∞-\infty. Ce théorème garantit l'existence d'une limite finie, même si on ne sait pas la calculer directement.
  • Application aux suites définies par récurrence : Le théorème de convergence monotone est souvent utilisé pour les suites définies par récurrence de la forme un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n). Pour démontrer la convergence d'une telle suite, on suit généralement ces étapes :

    1. Initialisation : Montrer que u0u_0 est dans un certain intervalle [a,b][a, b].
    2. Hérédité : Montrer que si un∈[a,b]u_n \in [a, b], alors un+1∈[a,b]u_{n+1} \in [a, b]. (Cela prouve que la suite est bornée sur cet intervalle).
    3. Monotonie : Étudier le sens de variation de la suite (signe de un+1−unu_{n+1} - u_n ou comparaison de f(x)f(x) et xx).
    4. Conclusion : Si la suite est monotone et bornée, alors elle converge (par le théorème de convergence monotone).
    5. Calcul de la limite : Si lim⁡n→+∞un=L\lim_{n \to +\infty} u_n = L, alors LL est un point fixe de la fonction ff, c'est-à-dire L=f(L)L = f(L). On résout cette équation pour trouver la valeur de LL.
Chapitre 3

Séries numériques

Définition d'une série numérique

Soit (un)n∈N(u_n)_{n \in \mathbb{N}} une suite numérique. On appelle série numérique associée à la suite (un)(u_n) la somme formelle ∑n=0+∞un=u0+u1+u2+…\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = u_0 + u_1 + u_2 + \dots.

  • Suite des sommes partielles : Pour étudier la convergence d'une série, on définit la suite des sommes partielles (SN)N∈N(S_N)_{N \in \mathbb{N}} par : SN=∑n=0Nun=u0+u1+⋯+uNS_N = \sum_{n=0}^{N} u_n = u_0 + u_1 + \dots + u_N. Autrement dit, SNS_N est la somme des N+1N+1 premiers termes de la suite (un)(u_n).

  • Série convergente : La série ∑un\sum u_n est dite convergente si la suite de ses sommes partielles (SN)(S_N) converge vers une limite finie SS. Dans ce cas, on appelle SS la somme de la série, et on écrit ∑n=0+∞un=S\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = S.

  • Série divergente : La série ∑un\sum u_n est dite divergente si la suite de ses sommes partielles (SN)(S_N) ne converge pas (c'est-à-dire qu'elle diverge vers ±∞\pm\infty ou n'admet pas de limite).

  • Reste d'une série : Si une série ∑un\sum u_n converge vers SS, on définit le reste d'ordre NN de la série, noté RNR_N, comme la somme des termes à partir de l'indice N+1N+1 : RN=∑n=N+1+∞un=S−SNR_N = \sum_{n=N+1}^{+\infty} u_n = S - S_N. Si la série converge, alors ==lim⁡N→+∞RN=0\lim_{N \to +\infty} R_N = 0==.

Exemples de séries usuelles

  • Séries géométriques : Une série géométrique est de la forme ∑n=0+∞arn\sum_{n=0}^{+\infty} ar^n, où aa est le premier terme et rr est la raison.

    • La suite des sommes partielles est SN=a1−rN+11−rS_N = a \frac{1-r^{N+1}}{1-r} (si r≠1r \neq 1).
    • Critère de convergence : Une série géométrique converge si et seulement si ∣r∣<1|r| < 1. Dans ce cas, sa somme est S=a1−rS = \frac{a}{1-r}.
    • Si ∣r∣≥1|r| \ge 1, la série diverge (sauf cas a=0a=0).
    • Exemple : ∑n=0+∞(12)n=11−12=112=2\sum_{n=0}^{+\infty} (\frac{1}{2})^n = \frac{1}{1 - \frac{1}{2}} = \frac{1}{\frac{1}{2}} = 2.
  • Séries de Riemann (critère de convergence) : Une série de Riemann est de la forme ∑n=1+∞1nα\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^\alpha}, où α\alpha est un réel.

    • Critère de convergence : Une série de Riemann converge si et seulement si α>1\alpha > 1.
    • Si α≤1\alpha \le 1, la série diverge.
    • Exemple : ∑n=1+∞1n2\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} converge car α=2>1\alpha=2 > 1.
    • Exemple : ∑n=1+∞1n\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n} (série harmonique) diverge car α=1\alpha=1.
  • Séries télescopiques : Une série est dite télescopique si son terme général unu_n peut s'écrire sous la forme un=vn−vn+1u_n = v_n - v_{n+1} (ou vn+1−vnv_{n+1} - v_n). La somme partielle SN=∑n=0N(vn−vn+1)S_N = \sum_{n=0}^{N} (v_n - v_{n+1}) se simplifie considérablement : SN=(v0−v1)+(v1−v2)+⋯+(vN−vN+1)=v0−vN+1S_N = (v_0 - v_1) + (v_1 - v_2) + \dots + (v_N - v_{N+1}) = v_0 - v_{N+1}. La série converge si et seulement si lim⁡N→+∞vN+1\lim_{N \to +\infty} v_{N+1} existe et est finie.

    • Exemple : ∑n=1+∞1n(n+1)\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n(n+1)}. On peut décomposer en éléments simples : 1n(n+1)=1n−1n+1\frac{1}{n(n+1)} = \frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}. Ici vn=1nv_n = \frac{1}{n}. SN=∑n=1N(1n−1n+1)=(1−12)+(12−13)+⋯+(1N−1N+1)=1−1N+1S_N = \sum_{n=1}^{N} (\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}) = (1 - \frac{1}{2}) + (\frac{1}{2} - \frac{1}{3}) + \dots + (\frac{1}{N} - \frac{1}{N+1}) = 1 - \frac{1}{N+1}. lim⁡N→+∞SN=lim⁡N→+∞(1−1N+1)=1\lim_{N \to +\infty} S_N = \lim_{N \to +\infty} (1 - \frac{1}{N+1}) = 1. La série converge et sa somme est 1.

Propriétés des séries convergentes

  • Linéarité des séries : Si ∑un\sum u_n et ∑vn\sum v_n sont deux séries convergentes de sommes respectives SuS_u et SvS_v, et si kk est un réel, alors :

    • La série ∑(un+vn)\sum (u_n + v_n) converge et sa somme est Su+SvS_u + S_v.
    • La série ∑(kun)\sum (k u_n) converge et sa somme est kSuk S_u.
  • Condition nécessaire de convergence (terme général tend vers 0) : Si la série ∑un\sum u_n converge, alors ==lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0==.

    • Attention : La réciproque est fausse ! Si lim⁡n→+∞un=0\lim_{n \to +\infty} u_n = 0, la série ∑un\sum u_n n'est pas nécessairement convergente. L'exemple classique est la série harmonique ∑1n\sum \frac{1}{n} : lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0, mais la série diverge.
    • Cette propriété est utile pour prouver la divergence d'une série : si lim⁡n→+∞un≠0\lim_{n \to +\infty} u_n \neq 0 (ou n'existe pas), alors la série ∑un\sum u_n diverge.
  • Séries à termes positifs : Une série ∑un\sum u_n est à termes positifs si un≥0u_n \ge 0 pour tout nn. Pour ces séries, la suite des sommes partielles (SN)(S_N) est croissante. Par le théorème de convergence monotone, une série à termes positifs converge si et seulement si sa suite des sommes partielles est majorée. Ce fait simplifie l'étude de la convergence des séries à termes positifs.

Chapitre 4

Critères de convergence pour les séries

Critères de comparaison

Ces critères sont très utiles pour les séries à termes positifs. Soient ∑un\sum u_n et ∑vn\sum v_n deux séries à termes positifs.

  • Comparaison par inégalité :

    1. Si 0≤un≤vn0 \le u_n \le v_n pour tout n≥N0n \ge N_0 :
      • Si ∑vn\sum v_n converge, alors ∑un\sum u_n converge. (Une série plus petite qu'une série convergente converge).
      • Si ∑un\sum u_n diverge, alors ∑vn\sum v_n diverge. (Une série plus grande qu'une série divergente diverge).
    • Exemple : Étudier ∑1n2+1\sum \frac{1}{n^2+1}. On sait que 0<1n2+1≤1n20 < \frac{1}{n^2+1} \le \frac{1}{n^2}. Comme ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} est une série de Riemann convergente (α=2>1\alpha=2 > 1), alors ∑1n2+1\sum \frac{1}{n^2+1} converge.
  • Comparaison par équivalence : Si un≥0u_n \ge 0, vn≥0v_n \ge 0 et si un∼vnu_n \sim v_n (c'est-à-dire lim⁡n→+∞unvn=1\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n}{v_n} = 1), alors les séries ∑un\sum u_n et ∑vn\sum v_n sont de même nature (elles convergent ou divergent simultanément).

    • Exemple : Étudier ∑n+1n3+2\sum \frac{n+1}{n^3+2}. Pour nn grand, n+1∼nn+1 \sim n et n3+2∼n3n^3+2 \sim n^3. Donc n+1n3+2∼nn3=1n2\frac{n+1}{n^3+2} \sim \frac{n}{n^3} = \frac{1}{n^2}. Comme ∑1n2\sum \frac{1}{n^2} est une série de Riemann convergente, alors ∑n+1n3+2\sum \frac{n+1}{n^3+2} converge.
  • Négligeabilité (un=o(vn)u_n = o(v_n)) : Si un≥0u_n \ge 0, vn≥0v_n \ge 0 et si lim⁡n→+∞unvn=0\lim_{n \to +\infty} \frac{u_n}{v_n} = 0, on écrit un=o(vn)u_n = o(v_n).

    • Si ∑vn\sum v_n converge, alors ∑un\sum u_n converge.
    • Si ∑un\sum u_n diverge, alors ∑vn\sum v_n diverge.

Critère de d'Alembert

Ce critère est particulièrement efficace pour les séries dont le terme général contient des factorielles ou des puissances. Soit ∑un\sum u_n une série à termes strictement positifs (un>0u_n > 0).

  • On calcule la limite du rapport des termes consécutifs : L=lim⁡n→+∞un+1unL = \lim_{n \to +\infty} \frac{u_{n+1}}{u_n}.

    • Si L<1L < 1, alors la série ∑un\sum u_n converge.
    • Si L>1L > 1, alors la série ∑un\sum u_n diverge.
    • Si L=1L = 1, le critère ne permet pas de conclure. Il faut utiliser un autre critère.
  • Application aux séries à termes positifs : Ce critère est souvent utilisé pour les séries de la forme ∑xnn!\sum \frac{x^n}{n!} ou ∑nkan\sum \frac{n^k}{a^n}.

  • Limites du critère : Le cas L=1L=1 est la principale limite. Par exemple, pour les séries de Riemann ∑1nα\sum \frac{1}{n^\alpha}, le rapport un+1un=(n+1)−αn−α=(nn+1)α=(11+1/n)α→1\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{(n+1)^{-\alpha}}{n^{-\alpha}} = (\frac{n}{n+1})^\alpha = (\frac{1}{1 + 1/n})^\alpha \to 1 lorsque n→+∞n \to +\infty, quel que soit α\alpha. Le critère de d'Alembert ne permet donc pas de conclure pour les séries de Riemann.

Critère de Cauchy (racine n-ième)

Ce critère est utile pour les séries dont le terme général est une puissance nn-ième. Soit ∑un\sum u_n une série à termes positifs (un≥0u_n \ge 0).

  • On calcule la limite de la racine n-ième du terme général : L=lim⁡n→+∞(un)1/nL = \lim_{n \to +\infty} (u_n)^{1/n}.

    • Si L<1L < 1, alors la série ∑un\sum u_n converge.
    • Si L>1L > 1, alors la série ∑un\sum u_n diverge.
    • Si L=1L = 1, le critère ne permet pas de conclure.
  • Application aux séries à termes positifs : Ce critère est efficace pour les séries de la forme ∑(f(n))n\sum (f(n))^n.

  • Comparaison avec le critère de d'Alembert : Le critère de Cauchy est plus puissant que celui de d'Alembert : si le critère de d'Alembert conclut, alors celui de Cauchy conclut aussi. Cependant, le critère de Cauchy peut conclure dans des cas où d'Alembert ne conclut pas (ex: certaines séries où la limite du rapport n'existe pas mais celle de la racine nn-ième oui).

Chapitre 5

Séries alternées et séries entières

Séries alternées

  • Définition d'une série alternée : Une série est dite alternée si ses termes sont alternativement positifs et négatifs. Elle peut s'écrire sous la forme ∑n=0+∞(−1)nan\sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n a_n ou ∑n=0+∞(−1)n+1an\sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^{n+1} a_n, où ana_n est une suite de termes positifs (an≥0a_n \ge 0).

    • Exemple : ∑n=1+∞(−1)nn=−1+12−13+14−…\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{n} = -1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{3} + \frac{1}{4} - \dots (série harmonique alternée).
  • Critère spécial des séries alternées (CSSA) : Soit une série alternée ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n avec an≥0a_n \ge 0. Si la suite (an)(a_n) :

    1. est décroissante à partir d'un certain rang,
    2. tend vers zéro (lim⁡n→+∞an=0\lim_{n \to +\infty} a_n = 0), alors la série ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n converge.
    • Exemple : Pour la série harmonique alternée ∑(−1)nn\sum \frac{(-1)^n}{n}, on a an=1na_n = \frac{1}{n}.
      1. La suite (1n)(\frac{1}{n}) est bien décroissante.
      2. lim⁡n→+∞1n=0\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} = 0. Donc, par le CSSA, la série harmonique alternée converge.
  • Convergence absolue et semi-convergence :

    • Une série ∑un\sum u_n est dite absolument convergente si la série des valeurs absolues ∑∣un∣\sum |u_n| converge. Si une série est absolument convergente, alors elle est convergente. (La réciproque est fausse).
    • Une série est dite semi-convergente si elle est convergente mais non absolument convergente.
    • Exemple : La série harmonique alternée ∑(−1)nn\sum \frac{(-1)^n}{n} est convergente (par le CSSA). Mais la série des valeurs absolues ∑∣(−1)nn∣=∑1n\sum |\frac{(-1)^n}{n}| = \sum \frac{1}{n} (série harmonique) est divergente. Donc la série harmonique alternée est semi-convergente.
    • L'intérêt de la convergence absolue est qu'elle permet d'utiliser les critères pour les séries à termes positifs (comparaison, d'Alembert, Cauchy) sur ∑∣un∣\sum |u_n|.

Introduction aux séries entières

  • Définition et forme générale : Une série entière est une série de fonctions de la forme ∑n=0+∞anxn\sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^n, où les ana_n sont des coefficients réels ou complexes et xx est une variable réelle ou complexe. Chaque série entière a un ensemble de valeurs de xx pour lesquelles elle converge.

  • Rayon de convergence : Pour toute série entière ∑anxn\sum a_n x^n, il existe un réel R≥0R \ge 0 (éventuellement R=+∞R=+\infty) appelé rayon de convergence, tel que :

    • La série converge absolument pour tout xx tel que ∣x∣<R|x| < R.
    • La série diverge pour tout xx tel que ∣x∣>R|x| > R.
    • Pour ∣x∣=R|x|=R, on ne peut pas conclure directement, il faut étudier la convergence aux bornes de l'intervalle. Le rayon de convergence peut souvent être calculé par les critères de d'Alembert ou de Cauchy appliqués à la série ∑∣anxn∣\sum |a_n x^n|. Si lim⁡n→+∞∣an+1an∣=L\lim_{n \to +\infty} |\frac{a_{n+1}}{a_n}| = L, alors R=1LR = \frac{1}{L} (si L≠0L \neq 0). Si L=0L=0, R=+∞R=+\infty. Si L=+∞L=+\infty, R=0R=0. De même, si lim⁡n→+∞∣an∣1/n=L\lim_{n \to +\infty} |a_n|^{1/n} = L, alors R=1LR = \frac{1}{L}.
  • Intervalle de convergence : Si RR est le rayon de convergence, l'ensemble des valeurs de xx pour lesquelles la série converge s'appelle l'intervalle de convergence.

    • Si x∈Rx \in \mathbb{R}, l'intervalle est de la forme (−R,R)(-R, R), [−R,R)[-R, R), (−R,R](-R, R] ou [−R,R][-R, R]. Il faut étudier la convergence en x=Rx=R et x=−Rx=-R.
    • Si x∈Cx \in \mathbb{C}, c'est le disque ouvert de centre 00 et de rayon RR.

Opérations sur les séries entières

Les séries entières ont des propriétés très pratiques qui les rendent similaires aux polynômes.

  • Dérivation et intégration terme à terme : Si f(x)=∑n=0+∞anxnf(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^n converge pour ∣x∣<R|x| < R, alors ff est dérivable et intégrable sur (−R,R)(-R, R), et :

    • f′(x)=∑n=1+∞nanxn−1f'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} n a_n x^{n-1}
    • ∫0xf(t)dt=∑n=0+∞ann+1xn+1\int_0^x f(t) dt = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{a_n}{n+1} x^{n+1} Le rayon de convergence des séries dérivée et intégrée est le même que celui de la série originale (RR).
  • Somme et produit de séries entières : Si f(x)=∑anxnf(x) = \sum a_n x^n et g(x)=∑bnxng(x) = \sum b_n x^n ont des rayons de convergence RfR_f et RgR_g :

    • Somme : f(x)+g(x)=∑(an+bn)xnf(x) + g(x) = \sum (a_n + b_n) x^n. Le rayon de convergence est au moins min⁡(Rf,Rg)\min(R_f, R_g).
    • Produit de Cauchy : f(x)g(x)=∑cnxnf(x) g(x) = \sum c_n x^n où cn=∑k=0nakbn−kc_n = \sum_{k=0}^n a_k b_{n-k}. Le rayon de convergence est au moins min⁡(Rf,Rg)\min(R_f, R_g).
  • Développement en série entière de fonctions usuelles : De nombreuses fonctions peuvent être représentées par une série entière, c'est ce qu'on appelle un développement en série entière (DSE).

    • 11−x=∑n=0+∞xn=1+x+x2+…\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^{+\infty} x^n = 1 + x + x^2 + \dots pour ∣x∣<1|x| < 1.
    • ex=∑n=0+∞xnn!=1+x+x22!+x33!+…e^x = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} (R=+∞R=+\infty).
    • sin⁡(x)=∑n=0+∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=x−x33!+x55!−…\sin(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} x^{2n+1} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dots pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} (R=+∞R=+\infty).
    • cos⁡(x)=∑n=0+∞(−1)n(2n)!x2n=1−x22!+x44!−…\cos(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{(2n)!} x^{2n} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} (R=+∞R=+\infty).
    • ln⁡(1+x)=∑n=1+∞(−1)n−1nxn=x−x22+x33−…\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n} x^n = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots pour ∣x∣<1|x| < 1. Ces DSE sont fondamentaux et doivent être connus. Ils permettent de calculer des limites, des intégrales, et d'approximer des fonctions.
Après la lecture

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