séries numériques
1. Déterminer la nature des séries de terme général unégal à :
(a) (1 + 1/n)ne
(b) 2 ln(n3+ 1) 3 ln(n2+ 1)
(c) (1 + 1/3
n)n
(d) p1+(1)n/n1
(e) (1)n/n2+n
(f) (1)n/(n+ (1)n)
(g) (ch(n))α(sh(n))αpour αR.
(h) n1/n 1
(i) (ln(n))ln(n)
(j) arccos((n3+ 1)/(n3+ 2))
(k) 1/n si nest un carré et 1/n2sinon.
2. Séries de Bertrand.
Soit (a, b)R2. Montrer que la série de terme général 1
nalnbnest convergente ssi a > 1ou
(a= 1) (b > 1).
3. (a) Soit la série de terme général un=(1)n
nα+(1)navec αR
+.
i. Montrer que
un(1)n
nα/21
2n3α/2+o(1
n3α/2)
ii. En déduire que la série de terme général unest convergente si et seulement si α > 2/3.
(b) Soit aR
+. Déterminer la nature de la série de terme général
un= ln(1 + (1)n
na+1
2n2a)
4. Calcul de somme.
Montrer la convergence des séries suivantes et calculer leur somme :
(a) P+
k=2
1
k21= 3/4
(b) P+
k=1
1
k(k+1)(k+2) = 1/4
(c) P+
k=2 ln((1 1/k2) = ln(2)
(d) P+
k=0 ln(cos(α/2k) = ln(sin(2α)/2α)
5. Nature de la série de terme général 1
Pn
k=1(ln(k))2.
6. Soit α > 1,Sn=Pn
k=1 1/kαet Rn=P+
k=n+1 1/kα. Déterminer un équivalent de Rn. En
déduire la nature de la série de terme général Rn/Sn.
7. Soit un>0le terme général d’une série convergente. Montrer que les séries de terme général
un/(1 + un),u2
net un/n sont convergentes.
8. Utilisation du groupement de termes.
1/5
(a) Soit Al’ensemble des entiers strictement positifs n’ayant aucun 9dans leur écriture déci-
male. On indice Ade manière croissante en posant A= (kn)nN. On veut déterminer la
nature de la série de terme général 1/kn.
i. Soit le paquet Apdes nombres de Aayant pchiffres dans leur écriture décimale.
Montrer que
X
kAp
1/k 8(9/10)p1
ii. En déduire que les sommes partielles de la série étudiée sont majorées puis que la
série est convergente.
(b) Soit αR. On veut déterminer la nature de la série de terme général
(1)E(n)
nα
i. Montrer que la série est absolument convergente si α > 1et grossièrement divergente
si α0.
On suppose dorénavant α]0,1]. on note
Sp=
p2+2p
X
n=p2
1
nα
ii. Montrer que
Sp2
p2α1
En déduire la divergence de la série si α1/2.
iii. Montrer que
Sp=2
p2α1+O(1
p2α)
En déduire la convergence de la série si α > 1/2.
9. Soit un>0. On suppose que un+1/un= 1 α/n +O(1/n2). On pose alors bn= ln(nαun)et
an=bn+1 bn. Montrer que an=O(1/n2). En déduire que la suite bnest convergente puis
qu’il existe c > 0tel que unc/nα.
On remarquera l’utilisation de la série télescopique des logarithmes pour l’étude d’une suite
pour laquelle on possède des informations sur le rapport des termes consécutifs.
10. Soit Pn1unune série divergente à termes positifs. Que dire de la nature des séries :
(a) Pn1un/(1 + un)
(b) Pn1un/(1 + nun)
(c) Pn1un/(1 + nαun)avec α > 1
(d) Pn1un/(1 + un2)
2
Pour (b) et (d), on montrera que la série peut-être divergente ou convergente en donnant un
exemple pour chaque cas. Pour un exemple de convergence, on utilisera des séries lacunaires de
la forme un= 0 si n6= 2pet u2p=qqchose. Pour (a), montrer en différenciant les cas un0
et un90que la série est toujours divergente.
11. Produits infinis.
Soit un6=1. On suppose que un>1à partir d’un certain rang, pour pouvoir définir
ln(1 + un). On dit que le produit QnN(1 + un)est convergent si la suite Qn
k=0(1 + uk)admet
une limite finie non nulle notée Q+
k=0(1 + uk).
(a) Montrer que le produit QnN(1 + un)est convergent ssi la série PnNln(1 + un)converge.
Montrer que dans ce cas un0.
(b) On suppose que la série de terme général u2
nest convergente. Montrer que le produit
QnN(1 + un)est convergent ssi la série PnNunconverge.
(c) On suppose que la série de terme général unest absolument convergente. Montrer qu’alors
le produit QnN(1 + un)est convergent.
(d) On suppose que un0. Montrer que le produit QnN(1 + un)est convergent ssi la série
PnNunconverge.
(e) Etudier la nature du produit Qn1(1 + (1)n/n).
12. Exemples d’utilisation du groupement de termes.
(a) Cas des sommes partielles.
Soit Sn=Pn
k=1(1)k+1k.
i. Montrer que
up=p2p1p2p1
22p1/2
ii. Montrer que S2n=Pn
p=1 up. En déduire que
S2n∼ −rn
2
iii. En déduire
Sn(1)n+1n/2
La technique proposée consiste à grouper les termes de la somme par paquets de deux
termes consécutifs. Cela est utile car les paquets sont à signe constant. Un DA des
paquets permet alors de conclure.
(b) Cas des restes.
Soit (un)une suite décroissante de réels tendant vers 0telle que
unun+1 un+1 un+2
On rappelle que
Rn1=
+
X
k=n
(1)kuk
3
i. Montrer que Rn∼ −Rn1.
ii. En déduire Rn1(1)nun/2.
iii. Application : déterminer un équivalent en +de
+
X
k=n+1
(1)klnk
k
13. Méthode de Césaro.
On rappelle le lemme de Césaro :
Si unlet vn= (Pn
k=1 uk)/n, alors vnl.
Soit f: [0, a][0, a], continue, admettant en 0le DA f(x) = xλxα+o(xα)avec λ > 0et
α > 1. On suppose 0< f(x)< x pour x]0, a]. On définit une suite unen posant u0]0, a]et
un+1 =f(un).
(a) Montrer que un0.
(b) Déterminer l’unique βRtel que uβ
n+1 uβ
nlR.
On trouve β= 1 α.
(c) En utilisant le lemme de Césaro, montrer que
un1
((α1)λn)1/(α1)
En déduire la nature de la série de terme général un.
(d) Application : étudier le cas u0]0,1] et f:xsin(x).
La technique est particulièrement adaptée pour l’étude des suites définies par une relation
de récurrence avec fonction tangente à la première bissectrice. Elle peut cependant se
généraliser.
14. Transformation d’Abel.
(a) Soit (an)et (bn)deux suites numériques. On note An=Pn
p=0 ap. Montrer l’égalité :
q
X
k=p
akbk=AqbqAp1bp+
q1
X
k=p
Ak(bkbk+1).
On remarquera l’analogie avec une intégration par partie pour des fonctions.
(b) Montrer, en utilisant le critère de Cauchy que si Anest bornée et bnest positive, décrois-
sante, tendant vers 0alors la série de terme général anbnest convergente.
(c) En déduire la nature des séries Pn1cos()/nα,Pn1sin()/nαet Pn1cos2()/nα
avec (α, θ)R
+×R.
La transformation d’Abel est particulièrement adaptée à l’étude des séries trigonomé-
triques, i.e. celles de la forme du (c).
4
15. Un exemple de comparaison série-intégrale avec une fonction à signe variable.
Pour x > 0on pose f(x) = cos(x)/x. On souhaite déterminer la nature de la série de terme
général un= cos(n)/n.
(a) Montrer, en effectuant le changement de variable x=u2, que pour a > 0, l’intégrale
R+
af(x)dx est convergente.
(b) On pose vn=f(n)Rn
n1f(x)dx. Montrer que vn=O(n3/2). En déduire que la série de
terme général vnest convergente.
(c) En déduire que la série de terme général unest convergente.
16. On définit la suite de réels (un)par u0Ret un+1 = (un+u2
n)/2.
(a) Montrer que untend vers 0si et seulement si u0]2,1[.
(b) Montrer que si u0]2,1[, alors il existe k[0,1[ tel que un=O(kn)(kdépend de u0).
En déduire que la série de terme général unest convergente.
On suppose dorénavant 0< u0<1. On note vn= 2nun.
(c) Montrer que
ln(vn+1)ln(vn) = ln(1 + un)
En déduire que 2nuntend vers une limite l6= 0.
(d) Montrer que
ln(l)ln(vn)l
2n1
(e) En déduire
un=l
2n+l2
22n1+o(1
22n)
17. Soit (pn)n1la suite croissante des nombres premiers.
(a) Soit α > 1. Montrer que le produit Qn1(1 1
pα
n)est convergent.
(b) Montrer que pour N1
pN
X
k=1
1
kα1
QN
n=1(1 1
pα
n)
+
X
k=1
1
kα
(c) En déduire l’égalité
ζ(α) =
+
X
k=1
1
kα=1
Q+
n=1(1 1
pα
n)
ζest la fonction Zeta de Riemann.
(d) Montrer, en s’inspirant de la question (b) que la série Pn1/pnest divergente.
18. Un exemple de produit de séries non absolument convergentes.
Soit an=bn= (1)n/(n+ 1)1/3et cn=Pn
p=0 apbnp. Montrer que la série de terme général an
est convergente et que celle de terme général cnest divergente.
On montrera que cnest non bornée.
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