2.2 Rayon de convergence d’une série entière
2.2 Rayon de convergence d’une série entière
Pour les séries entières, la notion de convergence prend une forme assez simple.
Théorème 2.2.1
Soit Xanxnune série entière ; alors il existe un unique nombre réel R ≥0
(éventuellement infini) tel que :
1. Xanxnconverge absolument dans ]−R,R[.
2. Xanxndiverge si |x|>R.
Preuve.
Soit I=
r∈R+:∞
X
n=0
anrnconverge
⊂R+.I,∅car 0 ∈I.
On distinguera trois cas : I={0},I=R+et {0} ⊂ I⊂R+.
1) I={0}. On pose R=0.
Soit x∈R∗. Ceci implique que |x|>0 et par suite x<Iet la série ∞
X
n=0|anxn|diverge.
Montrons que ∞
X
n=0
anxndiverge. Pour cela, on raisonnera par l’absurde. Supposons que
∞
X
n=0
anxnconverge pour |x|>0.
Soit x1∈Ctel que 0 <|x1|<|x|. La série
∞
X
n=0|anxn
1|
est convergente d’après le lemme
d’Abel (2.1.1) et donc x1∈I. D’où la contradiction avec le fait que I={0}.
2) I=R+. On pose R=∞. On doit prouver que Xanxnest absolument convergente
pour tout x∈R.
La série ∞
X
n=0|an|rnconverge pour tout r>0.
Soit x∈R∗. Il existe r>0 tel que |x|<r. Ceci implique |anxn| ≤ |an|rnet d’après le
théorème de comparaison la série Xanxnconverge absolument.
3) {0} ⊂ I⊂R∗,I,{0}et I,R∗.
a) Iest majoré. En effet, soit r∈R∗\Iet supposons que rn’est pas un majorant de
I. Il existerait alors r1∈Itel r<r1. D’après la définition de I, la série X|an|rn
1
est convergente ainsi que X|an|rn(car |an|rn<|an|rn
1) et donc r∈Ice qui est en
contradiction avec l’hypothèse r∈R∗\I.Iest alors un ensemble non vide et majoré
donc admet une borne supérieure R=sup
r∈I
I. Pour conclure, on doit prouver que
Xanxnconverge absolument pour tout x,|x|<Ret diverge pour tout x,|x|>R.
b)Soit x∈Rtel que |x|<R. Il existe ρ∈Itel que |x|< ρ < R. Comme la série X|an|ρn
converge, X|an| · |xn|converge en vertu du théorème de comparaison. Xanxnest
alors absolument convergente.
c) Soit x∈R,|x|>R. Ceci implique que |x|<Iet donc la série X|anxn|diverge.
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MrA N-E.