2.2 Rayon de convergence d’une série entière
2.2 Rayon de convergence d’une série entière
Pour les séries entières, la notion de convergence prend une forme assez simple.
Théorème 2.2.1
Soit Xanxnune série entière ; alors il existe un unique nombre réel R ≥0
(éventuellement infini) tel que :
1. Xanxnconverge absolument dans ]−R,R[.
2. Xanxndiverge si |x|>R.
Preuve.
Soit I=
r∈R+:∞
X
n=0
anrnconverge
⊂R+.I,∅car 0 ∈I.
On distinguera trois cas : I={0},I=R+et {0} ⊂ I⊂R+.
1) I={0}. On pose R=0.
Soit x∈R∗. Ceci implique que |x|>0 et par suite x<Iet la série ∞
X
n=0|anxn|diverge. Montrons
que ∞
X
n=0
anxndiverge. Pour cela, on raisonnera par l’absurde. Supposons que ∞
X
n=0
anxnconverge
pour |x|>0.
Soit x1∈Ctel que 0 <|x1|<|x|. La série
∞
X
n=0|anxn
1|
est convergente d’après le lemme d’Abel
(2.1.1) et donc x1∈I. D’où la contradiction avec le fait que I={0}.
2) I=R+. On pose R=∞. On doit prouver que Xanxnest absolument convergente pour
tout x∈R.
La série ∞
X
n=0|an|rnconverge pour tout r>0.
Soit x∈R∗. Il existe r>0 tel que |x|<r. Ceci implique |anxn| ≤ |an|rnet d’après le théorème
de comparaison la série Xanxnconverge absolument.
3) {0} ⊂ I⊂R∗,I,{0}et I,R∗.
a) Iest majoré. En effet, soit r∈R∗\Iet supposons que rn’est pas un majorant de I. Il existerait
alors r1∈Itel r<r1. D’après la définition de I, la série X|an|rn
1est convergente ainsi que
X|an|rn(car |an|rn<|an|rn
1) et donc r∈Ice qui est en contradiction avec l’hypothèse r∈R∗\I.
Iest alors un ensemble non vide et majoré donc admet une borne supérieure R=sup
r∈I
I. Pour
conclure, on doit prouver que Xanxnconverge absolument pour tout x,|x|<Ret diverge
pour tout x,|x|>R.
b)Soit x∈Rtel que |x|<R. Il existe ρ∈Itel que |x|< ρ < R. Comme la série X|an|ρn
converge, X|an| · |xn|converge en vertu du théorème de comparaison. Xanxnest alors
absolument convergente.
c) Soit x∈R,|x|>R. Ceci implique que |x|<Iet donc la série X|anxn|diverge. Montrons
que Xanxndiverge. Pour cela, on raisonne par l’absurde. Si Xanxnconverge, d’après
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