Chapitre 12
SERIES ENTIERES
1 Rayon de convergence
Définition 1 On appelle série entière toute série d’applications fnfnest une application de Cdans C
telle que fn(z) = anznavec (an)une suite complexe.
Définition 2 E={ρ0,tel que la suite(|an|ρn)nNsoit bornée}est un intervalle.
On appelle rayon de convergence de la série entière Pn0anzn, la borne supérieure dans Rde E.
Lemme 3 d’Abel : Supposons que nN,|an|ρnM,
nN,zC,|anzn| ≤ M|z|
ρn
Théorème 4 Soit Rle rayon de convergence de Pn0anznet Lun réel.
L=R|z|< L Pn0anznabsolument convergente
|z|> L Pn0anzndiverge
Exemple 5 Pn0zn,Pn0
zn
n2,Pn0
zn
n,Pn0
zn
Rn,Pn0
zn
n!,Pn0nnzn,Pn0sin(n)zn
Théorème 6 Soit Pn0anznune série entière de rayon de convergence R.
La série Pn0anznest absolument convergente sur le disque ouvert de convergence D={zC:|z|< R}
La série Pn0anznest normalement convergente sur tout compact du disque ouvert de convergence D.
La somme de la série Pn0anznest continue sur le disque ouvert de convergence D.
Proposition 7 Règle de d’Alembert et de Cauchy :
si lim |an+1|
|an|=LRalors R=1
L.
si lim n
p|an|=LR,alors R=1
L
Proposition 8 Soient Pn0anznet Pn0bnzndeux séries entières de rayon de convergence Raet Rb.
si nN,|an|≤|bn|alors RaRb
si |an|∼|bn|alors Ra=Rb
Proposition 9 Soient Pn0anznet Pn0bnzndeux séries entières de rayon de convergence Raet Rb,
1) soit cn=an+bnet Rcle rayon de convergence de la série Pn0cnzn, on a :
si Ra6=Rbalors Rc= min(Ra, Rb),
si Ra=Rbalors Rcmin(Ra, Rb)et
zCtel que |z|<min(Ra, Rb),on a
X
n=0
cnzn=
X
n=0
anzn!+
X
n=0
bnzn!
2) soit cn=Pp+q=napbqet Rcle rayon de convergence de la série Pn0cnzn, on a Rcmin(Ra, Rb)et
zCtel que |z|<min(Ra, Rb),on a
X
n=0
cnzn=
X
n=0
anzn!
X
n=0
bnzn!
Théorème 10 Soit kN. Les séries entières Pn0nkanznde Pn0anznont le même rayon de convergence
.
Corollaire 11 Soit Fune fraction rationnelle. Les séries entières Pn0F(n)anznde Pn0anznont le même
rayon de convergence .
63
2 Série entière d’une variable réelle
2.1 Propriété de la somme
Théorème 12 Soit f(t) = P
n=0 antn
la somme d’une série entière de la variable réelle de rayon de convergence R > 0:
1) fest Csur ]R, R[et ses dérivées successives sont les sommes des séries dérivées successives, et on a :
nN, an=1
n!f(n)(0)
2) On peut intégrer terme à terme, c’est à dire :
x]R, R[,Zx
0
f(t)dt =
X
n=0
an
xn+1
n+ 1
Proposition 13 Pour tout p0, la somme fadmet un développement limité à l’ordre pau voisinage de 0
dont la partie régulière est Pp
n=0 antn.
Exemple 14
x]1,1[,1
1 + x=
X
n=0
(x)n
x]1,1[,ln(1 + x) =
X
n=1
(1)n1xn
n
2.2 Fonctions développables en séries entières
Définition 15 Soit fune application d’une partie Xde Rdans C.
On dit que fest développable en série entière en 0,
s’il existe une série entière Pn0antnde rayon R > 0et r]0, R]avec ]r, r[Xtel que :
t]r, r[, f (t) =
X
n=0
antn
On dit que fest développable en série entière en t0si l’application t7−f(t0+t)est développable en série
entière en 0.
t]r, r[, f (t0+t) =
X
n=0
antn
Proposition 16 Si fest DSE en 0sur ]r, r[, alors fest Csur ]r, r[et le DSE de fen 0est unique :
t]r, r[, f (t) =
X
n=0
f(n)(0)
n!tn
Définition 17 Soit fune fonction de classe Csur ]r, r[avec r > 0. On appelle série de Taylor de fen 0,
la série
X
n
f(n)(0)
n!tn
Remarque 18 La série de Taylor de fen 0peut être de rayon infini, sans que fsoit DSE en 0.
Exemple : f(x) = e1
x2si x6= 0 et f(0) = 0
Proposition 19 Soit fune application DSE en 0, si fest paire alors pN, a2p+1 = 0 et si fest impaire
alors pN, a2p= 0
Proposition 20 Si fest de classe Csur un intervalle I=] a, a[et s’il existe un ρ > 0et MR+tels que
xI, nN,f(n)(x)Mn!
ρn
alors fest DSE en 0sur ]R, R[R= min(a, ρ).
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Exemple 21 xR, ex=P
n=0
xn
n!,sin x=P
n=0 (1)nx2n+1
(2n+1)! ,cos x=P
n=0 (1)nx2n
(2n)!
Proposition 22 Soient fet gdeux fonctions DSE en 0de développement respectifs Pantnet Pbntn.
1) (α, β)C2,αf +βg est DSE en 0et son développement est P(αan+βbn)tn.
2) fg est DSE en 0et son développement est le produit de Cauchy des deux séries entières.
Remarque 23 Soit fune fonction DSE en 0sur ]r, r[de développement Pantnalors f0est DSE en 0sur
]r, r[, et si Fest une primitive de fsur ]r, r[, alors Fest DSE en 0
t]r, r[, f 0(t) = X
n1
nantn1
t]r, r[, F (x) = F(0) + Xan
n+ 1tn+1
2.3 Méthode de l’équation différentielle :
Pour montrer qu’une application est développable en série entière et pour trouver sa série entière on peut :
1) trouver une équation différentielle linéaire d’ordre un ou deux dont fsoit solution, lui associer un problème
de Cauchy Pdont fest solution,
2) chercher s’il existe une série entière de rayon de convergence non nul dont la somme gest solution du problème
de Cauchy P,
3) conclure par unicité.
Exemple 24 f(x) = (1 + x)αavec αR.
2.4 Développement en série entière des fonctions usuelles
Proposition 25
zC,|z|<1, on a
X
n=0
zn=1
1z
Proposition 26 Toute fraction rationnelle Fn’admettant pas 0pour pôle est développable en série entière en
0et le rayon de convergence du DSE en 0est le minimum des modules des pôles complexes de F.
Exemple 27
F(x) = 1x2
12xcos α+x2
Ci-joint un tableau de DSE à connaître.
3 Exponentielle complexe
3.1 Exponentielle complexe
Définition 28 On appelle exponentielle complexe la somme de la série entière Pn0
zn
n!qui est de rayon infini.
On a donc :
zC,exp(z) = ez=
X
n=0
zn
n!
Proposition 29 La restriction de l’exponentielle complexe à Rconduit à l’exponentielle réelle .
Proposition 30
(z, z0)C2, ez+z0=ezez0
zC, ez=1
ez
zC, ez=ez
zC,|ez|=eRe(z)
zC,|ez|= 1 ziR
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Théorème 31 L’application exponentielle est un morphisme continu surjectif de (C,+) sur (C,×).
Théorème 32 L’application ϕ:teit est un morphisme continu surjectif de (R,+) sur (U, ×). Il existe un
unique réel a > 0tel que ker ϕ=aZ. On note π=a
2.
Corollaire 33
tR, eit = 1 t2πZ
Le sous-groupe des périodes de ϕest 2πZ.
Proposition 34 Il existe une unique application continue ϕdéfinie sur le plan complexe privé du demi-axe
réel négatif telle que
ϕ(1) = 0
zC,exp(ϕ(z)) = z
Cette fonction est appelée détermination principale du logarithme et coïncide avec la fonction ln sur R
+.
3.2 Fonctions circulaires et hyperboliques
Définition 35 On appelle fonctions cosinus et sinus complexes, les applications de Cdans Cdéfinies par :
zC,cos z=eiz +eiz
2=
X
n=0
(1)nz2n
(2n)!
zC,sin z=eiz eiz
2i=
X
n=0
(1)nz2n+1
(2n+ 1)!
On appelle fonctions cosinus et sinus hyperboliques complexes, les applications de Cdans Cdéfinies par :
zC, ch z =ez+ez
2=
X
n=0
z2n
(2n)!
zC, sh z =ezez
2=
X
n=0
z2n+1
(2n+ 1)!
Proposition 36
zC,cos(iz) = ch z, ch(iz) = cos z
zC,sin(iz) = ish z, sh(iz) = isin z
zC, ez=ch z +sh z, eiz = cos z+isin z
zC, ch2zsh2z= 1,cos2z+ sin2z= 1
Proposition 37
(a, b)C2,cos(a+b) = cos acos bsin asin b
(a, b)C2,sin(a+b) = sin acos b+ cos asin b
(a, b)C2, ch(a+b) = ch a ch b +sh a sh b
(a, b)C2, sh(a+b) = sh a ch b +ch a sh b
Proposition 38 L’application cos est paire périodique et son groupe des périodes est 2πZ.
L’application sin est impaire périodique et son groupe des périodes est 2πZ.
L’application ch est paire périodique et son groupe des périodes est 2Z.
L’application sh est impaire périodique et son groupe des périodes est 2Z.
Définition 39 Les restrictions des fonctions trigonométriques complexes à Rcoincident avec les fonctions
trigonométriques réelles dont nous avions admis l’existence :
tR,cos t=eit +eit
2=
X
n=0
(1)nt2n
(2n)!,sin t=eit eit
2i=
X
n=0
(1)nt2n+1
(2n+ 1)!.
Proposition 40 Les fonctions cos et sin sont de classe Cet (cos)0=sin,(sin)0= cos .
66
3.3 Théorème de relèvement
Théorème 41 L’application θ7→ eest une bijection de ]π, π[sur U\{−1}.
Son application réciproque u7→ Arg(u)est continue.sur U\{−1}et ne se prolonge pas en une application
continue sur U.
(u=x+iy, x2+y2= 1, , x 6= 1) Arg(u)=2Arc tan y
x+ 1
Théorème 42 du relèvement :Soit f∈ Ck(I, C)avec k1telle que tI, |f(t)|= 1. Il existe une fonction
θ∈ Ck(I, R)telle que :
tI, f(t) = e(t)
De plus une telle fonction est unique à une constante additive multiple de 2πprès.
Corollaire 43 Soit f∈ Ck(I, C)avec k1. Il existe deux fonctions (ρ, θ)∈ Ck(I, R)2telle que :
tI, ρ(t)>0et f(t) = ρ(t)e(t)
De plus une telle fonction est unique à une constante additive multiple de 2πprès.
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