P T SÉRIES ENTIÈRES Chapitre 10
I. NOTION DE SÉRIE ENTIÈRE
1. Cadre
On considère (an) une suite de réels ou de complexes.
On s’intéresse à la série (numérique) Xanznpour z∈Cou z∈R. On parle de série entière Xanzn:
Ùcette série converge pour certains zdans un domaine D,
Ùon définit alors la fonction S:z7→ +∞
X
n=0
anznsur D, appelée fonction somme de la série.
2. Rayon de convergence
Proposition 1 Lemme d’Abel
Soit z0∈C∗tel que la suite (anzn
0)n∈Nest bornée.
Pour tout z∈Ctel que |z|<|z0|, la série Xanznconverge absolument.
démo :La suite (anzn
0)n∈Nest supposée bornée : il existe M∈Rtel que ∀n∈N,|anzn
0|ÉM.
Soit z∈Ctel que |z|<|z0|(on suppose que z06=0). On a pour tout n∈N,|anzn|É|anzn
0|¯¯¯¯
z
z0¯¯¯¯
n
ÉM¯¯¯¯
z
z0¯¯¯¯
n
.
Or x=¯¯¯¯
z
z0¯¯¯¯∈[0,1[ donc la série XM xnconverge (série géométrique).
Par théorème de comparaison des séries à termes réels positifs, on conclut que Xanznconverge absolument, donc con-
verge.
Proposition 2
Soit Xanznune série entière. Soit z0∈C∗.
Si Xanzn
0converge, alors Xanznconverge absolument pour tout z∈Ctel que |z|<|z0|.
démo :Le fait que Xanzn
0converge implique que la suite (anzn
0) converge vers 0 donc est bornée.
Définition 1 : Soit Xanznune série entière. Il existe un unique réel Rtel que,
• Si |z|<Ralors X
nÊ0
anznconverge (absolument),
• Si |z|>Ralors X
nÊ0
anzndiverge (grossièrement).
On appelle Rle rayon de convergence de la série entière.
démo :âExistence : on pose E={ρ∈R+/ (anρn) est bornée}.
Si cet ensemble n’est pas majoré, on pose R=+∞ et on prouve que la série Xanznconverge pour tout z∈C.
Si cet ensemble est majoré, c’est une partie non vide majorée de Rdonc elle admet une borne supérieure R.
On prouve alors le résultat énoncé.
âUnicité : Si R1et R2vérifient les conditions énoncées avec R16=R2, on prend ρ∈]R1,R2[ pour trouver une contradiction.
0
Remarque
a. On a défini Rpar R=sup{ρ∈R+/ (anρn) est bornée} (borne
supérieure dans R).
b. À l’intérieur du disque de convergence, la série converge
absolument. À l’extérieur la série diverge grossièrement.
Pour |z| = R, on ne peut rien dire de général, cela dépend de la
série étudiée.
Exemple 1
a. La série X
nÊ0
zna pour rayon de convergence 1. C’est aussi le cas de la série entière X
nÊ0
z2n
b. La série X
nÊ0
zn
n+1a pour rayon de convergence 1 : utiliser le critère de D’Alembert pour le montrer.
c. La série X
nÊ0
zn
2na pour rayon de convergence 2.
d. La série X
nÊ0
zn
n!a pour rayon de convergence +∞.
Magali Hillairet 1Lycée Franklin, Orléans