Compléments Maths et Oral : Exercices sur les suites et les séries.

1
Compléments Maths et Oral : Exercices sur les
suites et les séries.
Licence 2 MAE 2016-2017
Université Paris Descartes
Marc Briant
Convergence, limites et équivalences de suites
Exercice 1
Calculer les limites des suites suivantes :
1) 1 + x
nn
, x R2) n1
n+ 1n+2
3) ln(n+ 1)
ln(n)nln(n)
4) n2cos 1
ncos 1
n+ 15) tannπ
4+x
n6) arctan(n+ 1)
arctan nn2
.
Exercice 2 : Les intégrales de Wallis et formule de Stirling
Pour ndans Non définit In=Rπ
2
0sinn(x)dx.
1. Montrer que la suite (In)nNest décroissante puis trouver une relation de récur-
rence afin d’établir que lim
n+
In+1
In= 1. En déduire que In
n+rπ
2n.
2. Calculer Inpour tout n.
3. On considère la suite (un)nNdéfinies par un=nnenn
n!. En étudiant la série de
terme générale ln un+1
undéduire la formule de Stirling n!
n+
2πn n
en
.
Exercice 3
Déterminer les limites des suites de termes généraux
1) n
v
u
u
t
n
Y
k=1 1 + k
n2)
n1
X
k=0
1
n2k23) 1
n2
2n
Y
k=0 n2+k21
n.
Exercice 4
Étudier la convergence et éventuellement les limites des suites de termes généraux
1)
n
Y
k=1 11
k22)
n
Y
k=1 1 + k
n2.
Exercice 5
1. Soient (an)nNet (bn)nNdeux suites de [0,1] telles que lim
n+anbn= 1. Que
peut-on dire des suites (an)nNet (bn)nN?
2. Soient (xn)nNet (yn)nNdeux suites réelles telles que lim
n+(x2
n+xnyn+y2
n) =
0. Montrer que les suites (xn)nNet (yn)nNconvergent vers 0.
Exercice 6 : Convergences de Cesàro
Dans ce qui suit, (un)nNet (vn)nNsont deux suites réelles ou complexes qui
convergent respectivement vers let l0.
1. Montrer que lim
n+
u1+···+un
n=l.
2. Montrer que la suite définie par zn=1
n(u1vn+u2vn1+·+unv1)converge
vers ll0.
Exercice 7
Soit (an)nNune suite d’éléments de ]0,1[ qui converge vers a. Pour nde Non
définit bn=
n
P
k=0
ank
k.
1. Montrer que (bn)tend vers 1si a= 0 et diverge vers +si a= 1.
2. Étudier la convergence et, le cas échéant, donner la limite de (bn)lorsque a]0,1[.
Exercice 8
Soit ϕune bijection de Ndans Ntelle que la suite ϕ(n)
nnN
converge. Que
peut-on dire de la limite ?
Exercice 9 : Racines itérées
Soit (an)nNune suite de R+. On pose can=qa1+pa2+··· +an.
1. Étudier (can)nNlorsque anest constante puis lorsque an=n.
2. Montrer que (can)nNconverge si et seulement si a
1
2n
nnN
est bornée.
Exercice 10
1. Montrer que pour tout nde Nil existe une unique solution positive à x3+nx = 1
que l’on notera xn. Donner un développement limité à deux termes de xnquand
ntend vers +.
2. Pour tout nNmontrer que ex=nxadmet une unique solution xndans R
et donner un développement asymptotique à l’ordre 3de xnquand ntend vers
+.
3. Montrer que pour tout nN, le polynôme XnX1admet une unique racine
positive xnet donner un développement asymptotique à l’ordre 3de xnquand
ntend vers +.
Suites définies par récurrence
Exercice 11
Étudier les suites définies par récurrence :
1. u0= 1 et nN, un+1 =1 + un.
2. u0Ret nN, un+1 =3
2u2
n+1 .
3. u0Ret nN, un+1 =eun1.
4. u0Cavec 0<|u0|<1et nN, un+1 =un
2un.
Exercice 12
Soient (un)nNet (vn)nNdéfinies par u0> v0>0et les relations de récurrences :
nN, un+1 =un+vn
2et vn+1 =2unvn
un+vn
.
Établir la convergence des deux suites.
Exercice 13 : Moyenne arithmético-géométrique
Soient aet bdeux réels tels que 0< a < b. On pose u0=aet v0=bpuis on définit
par récurrence les suites
nN, un+1 =un+vn
2et vn+1 =unvn.
Montrer que (un)nNet (vn)nNconvergent vers une limite commune M(a, b). En
s’aidant de α=arccos a
bdémontrer que M(a, b) = b2a2
arccosa
b
.
Exercice 14
Soit (an)nNune suite positive bornée et (un)nNla suite récurrente définie par
u0>0et un+1 =1
un+an+1 . Montrer que (un)nNconverge si et seulement si (an)nN
converge.
Exercice 15
Dans chacun des cas suivants, étudier la convergence et donner un équivalent quand
ntend vers +des suites définies par récurrence :
1. u0>0et nN, un+1 =u0+··· +un.
2. u0Ret nN, un+1 =|unn|
3. u0]0,π
2[et nN, un+1 = sin un.
4. u0= 1 et nN, un+1 =unu2
n.
5. u0= 1 et nN, un+1 =un+eun.
Suites extraites et densité
Exercice 16
Soit (xn)nNune suite telle que les suites extraites (x2n)nN,(x2n+1)nNet
(x3n)nNconvergent. Montrer que (xn)nNconverge.
Exercice 17
On considère la suite (xn)n>2définie par xn=dn
ndndésigne le plus petit
nombre premier positif divisant n.
1. Montrer que pour tout entier p>2la suite extraite (xpn)n>2converge dans R.
2. Montrer que la suite (xn)nNest divergente.
Exercice 18
Soit (un)nNune suite réelle bornée.
1. Montrer que si (un)nNn’admet qu’une unique valeur d’adhérence alors elle
converge.
2. Montrer que si la suite un+u2n
2converge vers 1alors (un)nNconverge et dé-
terminer sa limite.
Exercice 19
Soient (an)nN,(bn)nNet (cn)nNtrois suites réelles vérifiant
lim
n+(an+bn+cn)=0 et lim
n+ean+ebn+ecn= 3.
Montrer que les trois suites convergent vers 0.
Études asymptotiques et calculs de somme
Exercice 20
Soient Punet Pvndeux séries à termes strictement positifs. Démontrer la conver-
gence des séries de termes généraux max {un, vn},unvnet unvn
un+vn.
Exercice 21 : La série harmonique
Pour n>1on pose Hn= 1 + 1
2+··· +1
n.
1. En étudiant H2nHnprouver que cette suite diverge vers +.
2. Montrer que les suites αn=Hnln(n)et βn=Hnln(n+ 1) convergent dans
R. Cette limite notée γest la constante d’Euler.
3. Démontrer le développement asymptotique suivant
Hn=ln(n) + γ+1
2n1
12n2+o1
n2.
4. On pose kn= min {kN, Hk>n}. Déterminer lim
n+
kn+1
kn.
Exercice 22 : Les séries de Bertrand
Pour αet βdeux réels, montrer que
X
n>2
1
nα(ln(n))βconverge (α > 1) ou (α= 1 et β > 1) .
Exercice 23
Déterminer la nature des séries dont les termes généraux sont les suivants :
1) un=ch(n)
ch(2n)2) un=n
n+ 1n2
3) un=e1 + 1
nn
n3/2− bn3/2c+n
4) un= cos n2πln 11
n 5) un=a(a+ 1) ···(a+n1)
n!,pour a > 0.
Exercice 24
Calculer la valeur des sommes suivantes où a > 0et xR\{1}:
1) X1
n(n+ 1)(n+ 2) 2) Xa
n
P
k=1
1
k3) X(1)nln 1 + 1
n
4) X1
1+22+··· +n25) X
n>0
+
X
k=n
(1)k
k26) Xxn
(1 xn)(1 xn+1).
Exercice 25
Dans chacun des cas suivants étudier la nature de la série en fonction de (a, b, c)
R3et calculer sa somme lorsqu’il y a convergence :
1) X
n>1
(ln(n) + aln(n+ 1) + bln(n+ 2)) 2) X
n>1n+an+1+bn+ 2
3) a
1+b
2+c
3+a
4+b
5+c
6+··· .
Exercice 26 : Des termes généraux par récurrence
1. Soit u0]0,π
2[et un+1 = sin unpour tout nN. En considérant un+1 un
montrer que Pu3
nconverge puis en considérant vn=lnunmontrer que Pu2
n
diverge.
2. Soit u0>0et un+1 = 1 eun. Étudier les séries de termes généraux (1)nun
et u2
n. Enfin, déterminer la nature de Punen vous aidant de Pln un+1
un.
3. Soit u0>0et un+1 =ln(1 + un). Étudier Pun.
Exercice 27
On considère les suites définies par un=cos(ln(n))
net vn= (1)nsin(ln(n))
n.
1. Montrer que la série de terme général undiverge.
2. Montrer que Pvnconverge. On pourra se servir de v2n+v2n+1...
Exercice 28
Étudier lim
n+n
+
P
k=n
1
k2ek
n.
Exercice 29
On pose sn=
n
P
k=1
(1)k
ket un=ln (esn1). Étudier la nature de Pun.On pourra
écrire sncomme srns= lim
n+sn...
Des séries plus théoriques
Exercice 30 : Critère de condensation de Cauchy
Soit (un)nNune suite réelle décroissante et positive. Montrer que pour tout entier
p>2,Punconverge si et seulement si Ppnupnconverge.
Appliquer ce critère aux séries X1
nln(n)et X1
nln(n)ln (ln(n)).
Exercice 31 : Règle de Raabe-Duhamel
1. Soient (un)nNet (vn)nNdeux suites de R+telles qu’à partir d’un certain rang
un+1
un6vn+1
vn. Montrer que un=
n+O(vn).
2. Supposons que nous ayons le développement asymptotique suivant :
un+1
un
= 1 α
n+o1
n2.
Étudier la nature de la série Punen fonction de α.
Exercice 32 : Des transformations d’Abel
Soit (an)nNune suite positive décroissante de limite nulle et (Sn)nNune suite
bornée.
1. Montrer que la série P(an+1 an)Snest convergente. En déduire que la série
Pan(SnSn1)est convergente.
2. Établir que pour tout θR\2πZ,Pcos()
nest convergente.
3. Soit znle terme général d’une série réelle convergente. Démontrer que Pzn
n=
o1
n.On pourra introduire le reste d’ordre nde Pzn...
4. Soit (un)nNune suite réelle telle que Punet P|un+1 un|convergent. Mon-
trer que Pu2
nconverge.
Exercice 33 : Un peu plus de critères de concentration
Soit (un)nNune suite réelle décroissante et positive.
1. On pose vn=nun2et montrer que Pvnet Punsont de même nature.
2. On pose maintenant vn=n2un2. Le résultat précédent est-il toujours vrai ?
Exercice 34
Soient (un)nNet (vn)nNdans (R+)Ntelles que : nN, vn=1
1+n2un. Montrer
que si Pvnconverge alors Pundiverge.
Exercice 35
Soit Punune série à termes strictement positifs convergente. On note son reste
Rn=
+
P
k=n+1
uket on suppose que un
n+R2
n. Déterminer un équivalent de un.
Exercice 36
Soit (un)n>1une suite de réels strictement positifs. Pour n>1on pose vn=un
Sn
Sn=u1+··· +un. Déterminer la nature de Pvn.
Un petit mélange de genres
Exercice 37
Soit f: [a, b][a, b]une fonction de classe C1telle que x[a, b],|f0(x)|<1.
Montrer que fadmet un unique point fixe αpuis que pour tout a0de [a, b], la suite
définie par u0=a0et un+1 =f(un)converge vers α.
Exercice 38
Soient αRet fC([0,1],R)avec f(0) 6= 0. Étudier la convergence de la série
de terme général un=1
nαZ1/n
0
f(tn)dt.
Exercice 39
Soit f: [1,+[R+de classe C1telle que lim
x+
xf0(x)
f(x)=l. Montrer que
Pf(n)converge si l > 1et diverge si l < 1.
Exercice 40
Soit fà valeurs réelles de classe C2sur [0,+[telle que f00 et fsont intégrables
sur [0,+[.
1. Prouver que lim
t+f0(t)=0et lim
t+f0(t)=0.
2. Étudier les séries Pf(n)et Pf0(n).
1
Compléments Maths et Oral : Exercices sur les
espaces vectorielles et les applications linéaires.
Licence 2 MAE 2016-2017
Université Paris Descartes
Marc Briant
Des espaces vectorielles particuliers
Exercice 1
Pour nNnous considérons E=Rn[X]et pour tout ide {0, . . . , n}on note
Fi={PE:j∈ {0, n} \ {i}, P (j)=0}.
Montrer que les Fisont des sous-ev de Eet que E=F0L· · · LFn.
Exercice 2
On se place dans l’espace Edes fonctions continues de [1,1] à valeurs réelles.
1. Établir que E=F1LF2LF3où nous prenons F1={fE:fest constante},
F2={fE:t[1,0], f(t)=0}et F3={fE:t[0,1], f(t)=0}.
2. On définit F=nf:R1
1f(t)dt = 0oet G={f:f=cte}. Montrer que Fet G
sont des sous-ev supplémentaires de E.
Exercice 3
Soient 0 = x0< x1<· · · < xn= 1 des réels et Fl’ensemble des fonctions continues
de [0,1] dans Rdont la restriction à chaque [xi, xi+1]est affine. Établir que Fest un
R-ev et déterminer sa dimension.
Exercice 4
On considère le R-ev des fonctions Cde Rdans R. On fixe ndans Net on se
donne (a1, . . . , an)Rndeux à deux distincts.
1. Les fonctions x7→ sin(x+ai)sont-elles linéairement indépendantes ?
2. Montrer que la famille des fonctions x7→ sin(aix)est libre.
Exercice 5
Pour pNet aR\ {0,1}on note Spl’ensemble des suites (un)nNtelles que :
PRp[X],nN, un+1 =aun+P(n).
1. Montrer que Spest un R-ev et que si uSpalors Pest unique, on le notera Pu.
2. Montrer que φ:u7→ Puest linéaire et décrire son noyau et son image.
3. Donner une base de Spet en déduire l’expression de undéfinie par u0=2et
un+1 = 2un2n+ 7.On pourra utiliser Rk= (1 + X)kaXk...
Exercice 6
On considère Ccomme un R-ev. Montrer que les endomorphismes fde Csont exac-
tement les (z7→ az +bz)avec aet bcomplexes puis donner une condition nécessaire
et suffisante sur aet bpour que fsoit bijective.
Exercice 7
Montrer que pour tout nNil existe un unique polynôme Pndans Rn+1[X]tel
que Pn(0) = 0 et Pn(X+ 1) Pn(X) = Xn.
Des espaces vectorielles en toute généralité
Exercice 8
Sous Eun R-ev.
1. À quelle condition la réunion de deux sous-ev de Eest-elle un sous-ev ?
2. Soient V1, . . . , Vndes sous-ev de Edifférents de E. Montrer que E6=V1· · ·Vn.
Exercice 9
Soit Eun K-ev. Caractériser les endomorphisme f∈ L(E)telle que pour tout x
de Ela famille (x, f(x)) est liée.
Exercice 10
Soit Eun plan vectoriel. Montrer que f∈ L(E)non nul est nilpotent si et seule-
ment si Im(f) = Ker(f). En déduire que fne peut s’écrire vuavec vet unilpotents.
Exercice 11 : Opérations sur des projecteurs
Soient Eun K-ev et pet qdeux projections de Edans E.
1. Pour λK\ {0,1}, montrer que pλest un automorphisme.
2. Si Im(p)Ker(q)montrer que r=p+qpq est une projection dont on précisera
l’image et le noyau.
1 / 8 100%

Compléments Maths et Oral : Exercices sur les suites et les séries.

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 !