(i) Supposons ` < 1 et soit q=`+1
2. Dans ce cas, on a 0 ≤` < q < 1. Il existe un entier
n0tel que pour n≥n0, on ait un+1
un≤q, soit (puisque un>0), un+1 ≤qun. On en d´eduit
∀n≥n0, un≤qn−n0un0=qnun0
qn0. La s´erie g´eom´etrique de terme g´en´eral qnconverge puisque
0≤q < 1. Le premier crit`ere de comparaison montre que la s´erie de terme g´en´eral unconverge.
(ii) Supposons ` > 1 et soit q=`+1
2si `∈R,q= 2 si `= +∞, de sorte que dans les deux
cas, on a 1 < q < `. On montre de mˆeme qu’il existe un entier n0tel que pour n≥n0, on ait
un≥qnun0
qn0. Ici, on a lim
n→+∞qn= +∞, donc lim
n→+∞un= +∞; par suite la s´erie de terme g´en´eral
undiverge grossi`erement.
Proposition 4.9. Crit`ere de Cauchy.
Soit (un)une suite r´eelle `a termes positifs. Supposons que limn(un)1
n=`, o`u l∈R+∪ {+∞}.
(i) Si ` < 1, la s´erie converge.
(ii) Si ` > 1, on a lim
n→+∞un= +∞et la s´erie diverge grossi`erement.
La d´emonstration se fait comme celle du crit`ere de d’Alembert.
Exemples. (a) Si (un) = ( 3n
n+1 ), on a ∀n∈N, un>0 et un+1
un= 3 n
n+1 , donc lim
n→+∞
un+1
un= 3 >1 ;
la s´erie de terme g´en´eral undiverge d’apr`es le crit`ere de d’Alembert.
(b) Si (un)=( 1
(n+1)n), on a ∀n∈N, un>0 et (un)1
n=1
n+1 , donc lim
n→+∞(un)1
n= 0 ; la s´erie de
terme g´en´eral unconverge d’apr`es le crit`ere de Cauchy.
4Attention !
- II peut arriver que (un+1
un) ou un)1
nn’aient pas de limite.
- Le crit`ere de d’Alembert (resp. de Cauchy) ne permet pas de conclure lorsque lim
n→+∞
un+1
un= 1
(resp. lim
n→+∞(un)1
n= 1) : observer le cas des s´eries de Riemann.
Proposition 4.10. Comparaison de deux s´eries 2. Soient unet vnles termes g´en´eraux de
deux s´eries `a termes r´eels strictement positifs. Si lim
n→+∞
un
vn= 1, alors les deux s´eries de termes
g´en´eraux unet vnsont de mˆeme nature.
D´emonstration. Prenons =1
2. Il existe N∈Ntel que si n≥N, on a 1
2≤un
vn≤3
2, donc
1
2vn≤un≤3
2vn. Il suffit d’appliquer la proposition ”comparaison de deux s´eries 1”.
On fait d´ej`a beaucoup de choses en comparant avec des s´eries g´eom´etriques ou de Riemann.
Exemples.
1. Si (un) = ( 1
(n+1)α+sin n) avec α > 0, les termes g´en´eraux unet 1
nαsont strictement positifs
et on a lim
n→+∞
un
nα= 1. Donc la s´erie de terme g´en´eral unest de mˆeme nature que la s´erie
de Riemann d’exposant α. Elle converge si et seulement si α > 1.
2. Soit (un)=(ln(n+1)
(n+1)2). On peut voir que lim
n→+∞unn3
2= 0, donc que pour nassez grand,
0≤unn3
2≤1, ce qui donne 0 ≤un≤1
n3
2
. Les deux s´eries sont `a termes positifs. La
s´erie de Riemann d’exposant 3
2converge (3
2>1) et majore celle de terme g´en´eral un, donc
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