Planche no6. Séries numériques. Corrigé
Exercice no1
1) Pour n>1, on pose un=ln n2+n+1
n2+n1.n>1,unexiste
1ère solution.
un=ln 1+1
n+1
n2ln 1+1
n1
n2=
n+1
n+O1
n21
n+O1
n2=O1
n2.
Comme la série de terme général 1
n2,n>1, converge (série de Riemann d’exposant α > 1), la série de terme général un
converge.
2ème solution. Puisque n2+n+1
n2+n1tend vers 1quand ntend vers +,
un
n+
n2+n+1
n2+n11=2
n2+n1
n+
2
n2> 0.
Comme la série de terme général 1
n2,n>1, converge (série de Riemann d’exposant α > 1), la série de terme général un
converge.
2) Pour n>2, on pose un=1
n+ (−1)nn.n>2,unexiste et de plus un
n+
1
n. Comme la série de terme général
1
n,n>2, diverge et est positive, la série de terme général undiverge.
3) Pour n>1, on pose un=n+3
2n +1ln n
. Pour n>1,un> 0 et
ln(un) = ln(n)ln n+3
2n +1=ln(n)ln 1
2+ln 1+3
nln 1+1
2n
=
n+ln(n)ln 2+O1
n =
n+
ln 2ln(n) + o(1).
Donc un=eln(un)
n+
eln 2ln n=1
nln 2. Comme la série de terme général 1
nln 2,n>1, diverge (série de Riemann
d’exposant α61) et est positive, la série de terme général undiverge.
4) Pour n>2, on pose un=1
ln(n)ln(ch n).unexiste pour n>2. ln(ch n)
n+ln en
2=nln 2
n+net
un
n+
1
nln(n)> 0.
Vérifions alors que la série de terme général 1
nln n,n>2, diverge. La fonction xxln xest continue, croissante et
strictement positive sur ]1, +[(produit de deux fonctions strictement positives et croissantes sur ]1, +[). Donc, la
fonction x1
xln xest continue et décroissante sur ]1, +[et pour tout entier ksupérieur ou égal à 2,
1
kln k>Zk+1
k
1
xln xdx
Par suite, pour n>2,
n
X
k=2
1
kln k>
n
X
k=2Zk+1
k
1
xln xdx =Zn+1
2
1
xln xdx =ln(ln(n+1)) − ln(ln(2))
n+
+.
Donc, la série de terme général 1
nln nest divergente. Ainsi, unest positif et équivalent au terme général d’une série
divergente. La série de terme général undiverge.
c
Jean-Louis Rouget, 2015. Tous droits réservés. 1 http ://www.maths-france.fr
5) Pour n>1, on pose un=Arccos 3
r11
n2.unexiste pour n>1. De plus un
n+
0. On en déduit que
un
n+
sin(un) = sin Arccos 3
r11
n2!=s111
n22/3
=
n+s11+2
3n2+o1
n2
n+r2
3×1
n> 0
La série de terme général r2
3×1
nest divergente. Donc, la série de terme général undiverge.
6) Pour n>1, on pose un=n2
(n1)! .unexiste et un6=0pour n>1.
1ère solution.
un+1
un
=(n+1)2
n2×(n1)!
n!=(n+1)2
n3
n+
1
n
n+
0 < 1.
D’après la règle de d’Alembert, la série de terme général unconverge.
2ème solution. Pour n>3,
n2
(n1)! =(n1)(n2) − 3(n1) − 5
(n1)! =1
(n3)! 3
n2)! 5
(n1)!
est le terme général d’une série numérique convergente.
7) Pour n>1, on pose un=cos 1
nn
1
e.unest défini pour n>1car pour n>1,1
ni0, π
2het donc
cos 1
n> 0. Ensuite
ln cos 1
n=
n+
ln 11
2n +1
24n2+o1
n2 =
n+
1
2n +1
24n21
8n2+o1
n2
=
n+
1
2n 1
12n2+o1
n2.
Puis nln cos 1
n=
n+
1
21
12n +o1
net donc
un=enln(cos(1/n)1
e=
n+
1
ee1
12n +o(1
n)1
n+
1
12ne< 0.
La série de terme général 1
12neest divergente et donc la série de terme général undiverge.
8)
ln 2
πArctan n2+1
n=ln 12
πArctan n
n2+1
n+
2
πArctan n
n2+1
n+
2
π
n
n2+1
n+
2
< 0.
Donc, la série de terme général undiverge.
9) Pour n>1, on pose un=Zπ/2
0
cos2x
n2+cos2xdx.
Pour n>1, la fonction x7cos2x
n2+cos2xdx est continue sur h0, π
2iet positive et donc, unexiste et est positif. De plus,
pour n>1,
06un6Zπ/2
0
1
n2+0dx =π
2n2.
c
Jean-Louis Rouget, 2015. Tous droits réservés. 2 http ://www.maths-france.fr
La série de terme général π
2n2converge et donc la série de terme général unconverge.
10) 2sin π
4+1
n= sin 1
ncos 1
n=
n+
1+O1
npuis
2sin π
4+1
nln n=
n+
ln(n) + Oln n
n=
n+
ln(n) + o(1).
Par suite,
0 < un=e2sin(π
4+1
n)ln n
n+
eln n=1
n.
La série de terme général 1
ndiverge et la série de terme général undiverge.
11) nln 1+1
n=
n+
11
2n +o1
net donc
un=
n+
ee11
2n +o(1
n)=
n+
e11+1
2n +o1
n
n+
e
2n > 0.
La série de terme général e
2n diverge et la série de terme général undiverge.
12)
1nln 2n +1
2n 1=1nln 1+1
2nln 11
2n 
=
n+
1n 1
2n 1
8n2+1
24n3+o1
n31
2n 1
8n21
24n3+o1
n3
=
n+
1n1
n+1
12n3+o1
n3 =
n+
1
12n2+o1
n2.
Ainsi, un
n+
1
12n2< 0. Puisque la série numérique de terme général 1
12n2converge, il en est de même de la série
numérique de terme général un.
Exercice no2
1) Si Pn’est pas unitaire de degré 3,unne tend pas vers 0et la série de terme général undiverge grossièrement.
Soit Pun polynôme unitaire de degré 3. Posons P=X3+aX2+bX +c.
un=n 1+2
n21/4
1+a
n+b
n2+c
n31/3!
=
n+
n1+1
2n2+O1
n31+a
3n +b
3n2a2
9n2+O1
n3
=
n+
a
3+1
2b
3+a2
91
n+O1
n2.
Si a6=0,unne tend pas vers 0et la série de terme général undiverge grossièrement.
Si a=0et 1
2b
36=0,un
n+1
2b
31
n.unest donc de signe constant pour ngrand et est équivalent au terme
général d’une série divergente. Donc la série de terme général undiverge.
Si a=0et 1
2b
3=0,un=
n+O1
n2. Dans ce cas, la série de terme général unconverge (absolument).
En résumé, la série de terme général unconverge si et seulement si a=0et b=3
2ou encore la série de terme général un
converge si et seulement si Pest de la forme X3+3
2X+c,cR.
2) Pour n>2, posons un=1
nαS(n). Pour n>2,
c
Jean-Louis Rouget, 2015. Tous droits réservés. 3 http ://www.maths-france.fr
0 < S(n+1) =
+
X
p=2
1
p×1
pn61
2
+
X
p=2
1
pn=1
2S(n)
et donc n>2,S(n)6S(2)
2n2. Par suite,
un61
nα
S(2)
2n2=
n+
o1
n2.
Pour tout réel α, la série numérique de terme général unconverge.
3) u0R,nN,un> 0. Par suite, n>2,0 < un<1
n.
On en déduit que lim
n+
un=0et par suite un
n+
1
n> 0. La série de terme général undiverge.
4) On sait qu’il existe une infinité de nombres premiers.
Notons (pn)nNla suite croissante des nombres premiers. La suite (pn)nNest une suite strictement croissante d’entiers
et donc lim
n+
pn= +ou encore lim
n+
1
pn
=0.
Par suite, 0 < 1
pn
n+
ln 11
pn1!et les séries de termes généraux 1
pn
et ln 11
pn1!sont de même
nature.
Il reste donc à étudier la nature de la série de terme général ln 11
pn1!.
Montrons que NN,
+
X
n=1
ln 11
pn1!>ln N
X
k=1
1
k!.
Soit n>1. Alors 1
pn
< 1 et la série de terme général 1
pk
n
,kN, est une série géométrique convergente de somme :
+
X
k=0
1
pk
n
=11
pn1
.
Soit alors Nun entier naturel supérieur ou égal à 2et p1< p2... < pnla liste des nombres premiers inférieurs ou égaux à
N.
Tout entier entre 1et Ns’écrit de manière unique pβ1
1...pβk
kiJ1, nK,06βi6αi=Eln(N)
ln(pi)et deux entiers
distincts ont des décompositions distinctes. Donc
+
X
k=1
ln 11
pk1!>
n
X
k=1
ln 11
pk1!(car kN,11
pk1
> 1)
=
n
X
k=1
ln +
X
i=0
1
pi
k!>
n
X
k=1
ln αk
X
i=0
1
pi
k!
=ln n
Y
k=1 αk
X
i=0
1
pi
k!!=ln
X
06β16α1,...,...06βn6αn
1
pβ1
1..., pβn
n
>ln N
X
k=1
1
k!.
Or lim
N+
ln N
X
k=1
1
k!= +et donc
+
X
k=1
ln 11
pk1!= +.
La série de terme général ln 11
pk1
diverge et il en est de même de la série de terme général 1
pn
.
(Ceci montre qu’il y a beaucoup de nombres premiers et en tout cas beaucoup plus de nombres premiers que de carrés
parfaits par exemple).
5) Soit nN. Posons n=ap×10p+...+a1×10 +a0iJ0, pK,ai{0, 1, ..., 9}et ap6=0. Alors c(n) = p+1.
Déterminons pest en fonction de n. On a 10p6n < 10p+1et donc p=E(log(n)). Donc
c
Jean-Louis Rouget, 2015. Tous droits réservés. 4 http ://www.maths-france.fr
nN,un=1
n(E(log n) + 1)α.
Par suite, un
n+
lnα(10)
nlnα(n)et la série de terme général unconverge si et seulement si α > 1 (séries de Bertrand).
Redémontrons ce résultat qui n’est pas un résultat de cours.
La série de terme général 1
nln nest divergente (voir no1, 4)). Par suite, si α61, la série de terme général 1
nlnα(n)est
divergente car n>2,1
nlnα(n)>1
nln n.
Soit α > 1. Puisque la fonction x71
xlnαxest continue et strictement décroissante sur ]1, +[, pour k>3,
1
klnαk6Zk
k1
1
xlnαxdx
puis, pour n>3, en sommant pour kJ3, nK
n
X
k=3
1
klnαk6
n
X
k=3Zk
k1
1
xlnαxdx =Zn
2
1
xlnαxdx =1
α11
lnα1(2)1
lnα1(n)61
α1
1
lnα1(2).
Ainsi, la suite des sommes partielles de la série à termes positifs, de terme général 1
klnαk, est majorée et donc la série de
terme général 1
klnαkconverge.
6) Soit n>2.
un+1
un
=lna(n+1)
(n+1)b
n+
0 < 1 (d’après un théorème de croissances comparées)
et d’après la règle de d’Alembert, la série de terme général unconverge.
7) lim
n+
un=π
4π
4=0. Donc
un
n+
tan(un)
=1+1
na
11
na
1+11
n2a=
n+
2a
n+O1
n2
2+O1
n2=
n+
a
n+O1
n2.
Par suite, la série de terme général unconverge si et seulement si a=0.
8) La fonction x7x3/2 est continue et croissante sur R+. Donc pour k>1,Zk
k1
x3/2 dx 6k3/2 6Zk+1
k
x3/2 dx puis
pour nN:
Zn
0
x3/2 dx =
n
X
k=1Zk
k1
x3/2 dx 6
n
X
k=1
k3/2 6
n
X
k=1Zk+1
k
x3/2 dx =Zn+1
1
x3/2 dx
ce qui fournit
2
5n5/2 6
n
X
k=1
k3/2 62
5((n+1)5/2 1)et donc
n
X
k=1
k3/2
n+
2n5/2
5.
Donc un
n+
2n5
2α
5> 0. La série de terme général unconverge si et seulement si 5
2α < 1ou encore α > 7
2.
9) Pour n>1,
un=1+1
nα1+2
nα...1+n
nα1>1
nα+2
nα+...+n
nα=n(n+1)
2nα> 0.
c
Jean-Louis Rouget, 2015. Tous droits réservés. 5 http ://www.maths-france.fr
1 / 19 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !