ECS 3 2013 – 2014 Semaine de colle no25 du 31 mars au 4 avril
Toutes les définitions /énoncés du cours sont à connaître précisément.
Les démonstrations/exemples vus en classe peuvent être proposées comme questions de cours
1 Généralités
1.1 Définition
Dans toute cette partie (un)nNest une suite réelle.
• On appelle série de terme général unla suite (Sn)nNdéfinie par :
nN, Sn=
n
X
k=0
uk.
Snest la somme partielle de rang n(ou d’ordre n) de la série.
Définition
Notation. La série de terme général unest notée Pun(ou P
n0
un).
• Remarques.
1. Les sommes partielles déterminent le terme général : nN, un=SnSn1.
2.
Si la suite (
un
) nest définie qu’à partir du rang
n0
, les sommes partielles sont
définies par : nn0, Sn=n
P
k=n0
uk.
1.2 Nature d’une série
On dit que la série
Pun
converge si la suite (
Sn
)
nN
des sommes partielles
associées converge.
La limite de (Sn)nNest alors appelée somme de la série et notée +
P
k=0
uk:
+
P
k=0
uk= lim
n+Sn= lim
n+
+
P
k=0
uk
Dans le cas contraire on dit que la série diverge.
Déterminer la nature d’une série, c’est déterminer si elle diverge ou converge
Définition
jAttention aux notations jPuk,
+
P
k=0
uk:
Puk
désigne une suite, c’est une notation abrégée pour « la série de terme
général uk».
+
P
k=0
ukest un réel, c’est un symbole pour désigner lim
n+
n
P
k=0
uk.
+
P
k=0
uknest définie que si la série Pukconverge.
Soit Punune série convergente de somme S=+
P
k=0
uk.
On appelle reste d’ordre nle réel Rn=SSn.
Définition
Soit Punune série convergente.
1. Rn
n+0.
2. nN, Rn=+
P
k=n+1
uk(= lim
N+
N
P
k=n+1
uk)
Proposition
2 Premiers exemples classiques
2.1 Séries géométriques
Pour xRon considère la série Pxk, dite série géométrique de raison x.
La série Pxkconverge si et seulement si |x|<1. Dans ce cas +
P
k=0
xk=1
1x.
Proposition
2.2 Sommes télescopiques
On suppose ici que le terme général s’écrit sous la forme un=vn+1 vn.
Dans ce cas Sn=n
P
k=0
(vk+1 vk) = vn+1 v0.
La série P(vn+1 vn) converge si et seulement si la suite (vn) converge.
En cas de convergence, on a +
P
k=0
(vk+1 vk) = ( lim
n+vn)v0.
Proposition
Page 1/3
Si l’on peut écrire
un
sous la forme
un
=
vn+1 vn
, alors on sait calculer les sommes
partielles de la série.
En pratique
2.3 Deux cas où l’on ne connaît pas les sommes partielles
• La série harmonique
Exemple 1 La série harmonique P1
nest divergente.
Nous l’avons démontré en minorant le terme général via :
k
1
,ln
(
k
+ 1)
lnk1
k
.
• La série harmonique alternée
Exemple 2 la série harmonique alternée P(1)n
nest convergente.
Nous l’avons démontré en montrant que les sommes partielles (
S2n
)
nN
et
(S2n+1)nNsont adjacentes.
3 Propriétés des séries convergentes
3.1 Divergence grossière
Si la série Punconverge, alors un
n+0.
Proposition
jAttention jun
n+0 nassure en rien que la série Punconverge.
Exemple : La série harmonique P1
ndiverge bien que 1
n
n+0.
Si
un
ne tend pas vers 0, alors la série
Pun
diverge. Dans ce cas on dit que la série
diverge grossièrement
Proposition : (Contraposée)
lim
n+un
= 0 est la première chose à contrôler lorsque l’on demande d’étudier la
nature de Pun.
En pratique
3.2 Combinaisons linéaires de séries convergentes
Si les séries Punet Pvnconvergent et si λ,µ Ralors
1. La série P(λun+µvn) est convergente.
2. On a +
P
n=0
(λun+µvn) = λ
+
P
n=0
un+µ
+
P
n=0
vn
Proposition
• Remarque.
La formule
+
P
n=0
(
un
+
vn
) =
+
P
n=0
un
+
+
P
n=0
vn
nest utilisable qu’après avoir
montré que Punet Pvnconverge.
4 Séries à termes positifs
4.1 Sommes partielles d’une série à termes positifs
On suppose que (un)nNest à termes positifs : nN, un0. Alors :
1. La suite des somme partielles (Sn)nNest croissante.
2. Si (Sn)nNest majorée alors Punconverge.
3. Si (Sn)nNnest pas majorée alors Sn
n++.
Proposition
4.2 Critères de convergence
On suppose qu’à partir d’un certain rang, 0 unvn, dans ce cas :
Si Pvnconverge, alors Punconverge.
Si Pundiverge, alors Pvndiverge.
Théorème : Critère de comparaison
On suppose qu’à partir d’un certain rang, un0 et vn0.
Si
unvn
, alors les séries
Pun
et
Pvn
sont de même nature (i.e. si l’une converge
alors l’autre converge et si l’une diverge, l’autre diverge)
Théorème : Critère d’équivalence
On suppose qu’à partir d’un certain rang, un0 et vn0.
Si un=o(vn), et si Pvnconverge, alors Punconverge.
Théorème : Critère de négligeabilité
• Remarque.
Les trois critères précédent sont aussi vrais si, à partir d’un certain
rang, un0 et vn0. L’important est que unet vngardent un signe constant.
2/3
4.3 Convergence absolue
On dit que la série
Pun
est absolument convergente si la série
P|un|
est convergente.
Définition
Une série absolument convergente est convergente : si
P|un|
converge, alors
Pun
converge.
Proposition : Convergence absolue implique convergence
Pour une série à termes quelconques, on commence par étudier la série
P|un|
qui
est à termes positifs.
En pratique
jAttention jUne série peut converger sans être absolument convergente :
Exemple : la série
P(1)n
n
converge mais ne converge pas absolument car
(1)n
n
=
1
n
et on sait que P1
ndiverge.
5 Séries de référence
5.1 Les séries de Riemann
Soit αR. La série P1
nαdite série de Riemann, converge si et seulement si α > 1.
Proposition
On étudie la nature d’une série Punun0 (à partir d’un certain rang) :
Si on trouve α > 1 tel que unnα
n+0 alors un=o(1
nα).
Comme P1
nαconverge, Punconverge aussi d’après le critère de négligeabilité
En pratique : comparaison avec une série de Riemann
5.2 Séries géométriques — Séries géométriques dérivées
Les séries Pxk,Pkxk1et Pk(k1)xk2convergent ssi |x|<1.
Lorsque |x|<1, on a
i)
+
P
k=0
xk=1
1x
ii)
+
P
k=1
kxk1=1
(1 x)2(série géométrique « dérivée d’ordre 1 »)
iii)
+
P
k=2
k(k1)xk2=2
(1 x)3(série géométrique « dérivée d’ordre 2 »)
Proposition
5.3 Série exponentielle
Pour tout réel x, la série Pxn
n!converge et on a +
P
n=0
xn
n!=ex.
Proposition
Ladresse de la page des maths était : http://mcathala.perso.math.cnrs.fr/ecs1_ozenne.html
Ladresse de la page des maths redevient : http://mfritz.perso.sfr.fr
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