1 Rayon de convergence d`une série enti`ere 2 Opérations sur les

eries enti`eres. Rayon de convergence. Propri´et´es de la somme. Exemples
1 Rayon de convergence d’une s´erie enti`ere
On appelle s´erie enti`ere toute s´erie num´erique de la forme Panzn,o`u (an)nn0est une suite donn´ee de nombres complexes.
Th´eor`eme 1 (Abel) Soit Panznune s´erie enti`ere. S’il existe un scalaire non nul z0tel que la suite (anzn
0)nNsoit born´ee,
alors la s´erie enti`ere Panznconverge absolument pour tout nombre complexe ztel que |z|<|z0|.
Th´eor`eme 2 Soit Panznune s´erie enti`ere et Il’ensemble de r´eels d´efini par :
I=©rR+|(anrn)nNest born´eeª.
Cet ensemble Iest un intervalle qui est soit r´eduit `a {0},soit de la forme [0, R]ou [0, R[avec R > 0,soit ´egal `a R+tout
entier.
On peut donc poser :
R= sup ©rR+|(anrn)nNest born´eeª
efinition 1 Le rayon de convergence de la s´erie enti`ere Panznest l’´el´ement de R+efini par :
R= sup ©rR+|(anrn)nNest born´eeª.
Th´eor`eme 3 Soient Panznet Pbnznde rayons de convergence respectifs Ret R0.
1. Si |an| ≤ |bn|pour tout nN,alors RR0.
2. Si an=O(bn),alors RR0.
3. Si anbn,alors R=R0.
Corollaire 1 Si Panznest une s´erie enti`ere telle qu’il existe deux r´eels strictement positifs met Mavec :
nN, m ≤ |an| ≤ M
alors le rayon de convergence de cette s´erie vaut 1.
Th´eor`eme 4 En utilisant les notations qui pr´ec`edent :
1. dans le cas o`u R > 0,la s´erie Panznest absolument convergente pour tout ztel que |z|< R ;
2. dans le cas o`u Rest fini, les s´eries Panznet P|anzn|sont divergentes pour tout ztel que |z|> R.
Th´eor`eme 5 (d’Alembert) Soit Panznune s´erie enti`ere telle que an6= 0 `a partir d’un certain rang. Si lim
n+¯¯¯¯
an+1
an¯¯¯¯
=
`R+,alors le rayon de convergence de cette s´erie est R=1
`avec les conventions 1
0= +et 1
+= 0.
Corollaire 2 Si Panznest une s´erie enti`ere telle que ansoit une fonction rationnelle non nulle de n, alors son rayon de
convergence vaut 1.
Th´eor`eme 6 (Cauchy) Soit Panznune s´erie enti`ere. Si lim
n+
n
p|an|=`R+,alors le rayon de convergence de cette
erie est R=1
`.
Th´eor`eme 7 (Hadamard) Le rayon de convergence de la s´erie enti`ere Panznest :
R=1
lim sup
n+
n
p|an|.
2 Op´erations sur les s´eries enti`eres
Th´eor`eme 8 Soient Panznet Pbnzndeux s´eries enti`eres de rayons de convergence respectifs Ret R0.On d´esigne par R00
le rayon de convergence de la s´erie enti`ere somme P(an+bn)zn.
1. Si R6=R0,alors R00 = min (R, R0).
2. Si R=R0,alors R00 min (R, R0).
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3. Dans tous les cas, on a pour |z|<min (R, R0):
+
X
n=0
(an+bn)zn=
+
X
n=0
anzn+
+
X
n=0
bnzn
Th´eor`eme 9 Soient Panznet Pbnzndeux s´eries enti`eres de rayons de convergence respectifs Ret R0.On d´esigne par R00
le rayon de convergence de la s´erie enti`ere produit Pµn
P
k=0
akbnkzn.On a R00 min (R, R0)et pour |z|<min (R, R0):
+
X
n=0 Ãn
X
k=0
akbnk!zn=Ã+
X
n=0
anzn!Ã+
X
n=0
bnzn!
Th´eor`eme 10 Soit Panznune s´erie enti`ere de rayon de convergence R. La s´erie d´eriv´ee Pnanzn1et la s´erie primitive
Pan
n+ 1zn+1 ont le mˆeme rayon de convergence R.
Corollaire 3 Une s´erie enti`ere Panznet ses s´eries d´eriv´ees :
Xn(n1) ···(np+ 1) anznp
ont toutes le mˆeme rayon de convergence.
3 Fonctions d´eveloppables en s´erie enti`ere
efinition 2 On dit qu’une fonction fd´efinie sur un disque ouvert D(0, α)de centre 0et de rayon α > 0du plan complexe
est d´eveloppable en s´erie enti`ere au voisinage de 0s’il existe une s´erie enti`ere Panznet un r´eel r]0, α]tels que :
zD(0, r), f (z) =
+
X
n=0
anzn
Th´eor`eme 11 Si une fonction est d´eveloppable en s´erie enti`ere au voisinage de 0,alors ce d´eveloppement est uniquement
etermin´e.
Corollaire 4 Si une fonction paire [resp. impaire] fest d´eveloppable en s´erie enti`ere au voisinage de 0,alors ce d´eveloppement
est n´ecessairement de la forme :
f(z) =
+
X
n=0
a2nz2n
[resp. :
f(z) =
+
X
n=0
a2n+1z2n+1 ]
Th´eor`eme 12 (Abel) Soit Panxnune s´erie enti`ere r´eelle de rayon de convergence fini R > 0telle que la s´erie PanRn
soit convergente. En notant f(x) =
+
P
n=0
anxnpour x]R, R[,on a :
lim
xRf(x) =
+
X
n=0
anRn
et fpeut ˆetre prolong´ee par continuit´e en Ren posant f(R) =
+
P
n=0
anRn.
Th´eor`eme 13 Soit fune fonction de la variable r´eelle d´eveloppable en s´erie enti`ere sur un intervalle ]r, r[o`u r > 0avec :
x]r, r[, f (x) =
+
X
n=0
anxn
o`u (an)nNest une suite de nombres complexes. La fonction fest alors ind´efiniment d´erivable sur ]r, r[avec, pour tout
entier p1et tout r´eel x]r, r[:
f(p)(x) =
+
X
n=p
n(n1) ···(np+ 1) anxnp=
+
X
n=p
n!
(np)!anxnp.
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Corollaire 5 Soit fune fonction de la variable r´eelle d´eveloppable en s´erie enti`ere sur un intervalle ]r, r[o`u r > 0avec :
x]r, r[, f (x) =
+
X
n=0
anxn
o`u (an)nNest une suite de nombres complexes. La primitive de fnulle en 0est la fonction Fd´efinie par :
x]r, r[, F (x) =
+
X
n=0
an
n+ 1xn+1.
Th´eor`eme 14 Soit fune fonction de classe Csur un voisinage ouvert Ide 0et `a valeurs complexes. Cette fonction est
eveloppable en s´erie enti`ere au voisinage de 0si, et seulement si, il existe un r´eel r > 0tel que ]r, r[Iet pour tout xI
la suite (Rn(x))nNd´efinie par :
Rn(x) = f(x)
n
X
k=0
f(k)(0)
k!xk
converge vers 0sur ]r, r[.Dans ce cas, on a f(x) =
+
P
n=0
f(n)(0)
n!xnpour tout x]r, r[et le rayon de convergence de cette
erie enti`ere est sup´erieur ou ´egal `a r.
Th´eor`eme 15 Soit fune fonction de classe Csur un voisinage ouvert Ide 0et `a valeurs complexes. S’il existe un r´eel
r > 0tel que ]r, r[Iet pour tout xdans ]r, r[on peut trouver une constante Mxavec :
nN,¯¯¯f(n)(x)¯¯¯Mx,
alors fest d´eveloppable en erie enti`ere dans ]r, r[avec f(x) =
+
P
n=0
f(n)(0)
n!xn.
En utilisant ce r´esultat, on d´eduit les d´eveloppements classiques suivants o`u le rayon de convergence est indiqu´e entre
parenth`eses.
Th´eor`eme 16 (Bernstein) Soit fune fonction `a valeurs r´eelles de classe Csur ]a, a[avec a > 0.Si f(2k)(x)0pour
tout entier naturel ket tout x]a, a[alors fest d´eveloppable en s´erie enti`ere sur ]a, a[.
4 S´eries enti`eres et ´equations diff´erentielles
´
Etant donn´ees des fonctions a0,··· , ap1, b `a valeurs r´eelles ou complexes d´eveloppables en s´erie enti`ere sur un intervalle
ouvert ]R, R[ o`u p1 et 0 < R +,on peut montrer que pour y0,··· , yp1donn´es dans Rou C,il existe une unique
fonction yd´eveloppable en s´erie enti`ere sur ]R, R[ solution du probl`eme de Cauchy :
½y(p)=a0y+a1y0+··· +ap1y(p1) +b
y(k)(0) = yk(0 kp1)
Les s´eries enti`eres peuvent aussi ˆetre utilis´ees pour d´eterminer des solutions d’´equations diff´erentielle lin´eaire `a coefficients
non constants, d´eveloppables en s´erie enti`ere au voisinage de 0,de la forme :
apy(p)=a0y+a1y0+··· +ap1y(p1) +b
la fonction appouvant s’annuler en 0.
Exercice 1 pd´esigne un entier naturel et on s’int´eresse `a l’´equation de Bessel d’indice p:
x2y00 +xy0+¡x2p2¢y= 0.(22)
Montrer que la s´erie enti`ere de terme g´en´eral 1
k! (p+k)!xk,o`u kest un entier naturel, a un rayon de convergence infini et
que la fonction Jpefinie par :
xR, Jp(x) = ³x
2´p
Ipµ³x
2´2,
o`u on a not´e pour tout r´eel x:
Ip(x) =
+
X
k=0
1
k! (p+k)!xk,
est solution sur Rde l’´equation diff´erentielle (22) .
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Inversement, on peut trouver le d´eveloppement en s´erie enti`ere d’une fonction en ´ecrivant cette fonction comme solution
d’une ´equation diff´erentielle.
Exercice 2 Soit fla fonction d´efinie sur ]1,1[ par f(x) = (1 + x)αo`u αest un r´eel non entier naturel.
1. Montrer que fest l’unique solution sur ]1,1[ de l’´equation diff´erentielle avec condition initiale suivante :
½(1 + x)y0αy = 0
y(0) = 1
2. Retrouver le d´eveloppement en s´erie enti`ere de fainsi que son rayon de convergence.
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