CHAPITRE 2
SÉRIES ENTIÈRES
2.1 Séries entières
Définition 2.1.1 On appelle série entière toute série de fonctions Xfndont le
terme général est de la forme fn(x)=anxn, où (an)ndésigne une suite réelle ou complexe
et xR.
Une série entière est notée Xanxn. Comme pour les séries de fonctions, on cherche
l’ensemble ;
∆ =
xR:
X
n=0
anxnconverge
.
C’est le domaine de convergence de la série entière.
Exemple 1.
X
n=0
xn
n!.
Posons fn(x)=xn
n!et appliquons le critère de D’Alembert ;
lim
n→∞
fn+1(x)
fn(x)
=lim
n→∞
x
n+1
=0. La série entière est absolument convergente pour tout
xR; donc ∆ = R.
Exemple 2.
X
n=1
xn
n2.
Posons fn(x)=xn
n2on a : lim
n→∞
fn+1(x)
fn(x)
=lim
n→∞ n
n+12
x
=|x|.
Si |x|<1, la série est absolument convergente et si |x|>1 la série diverge.
Etudions le cas où |x|=1.
on a fn(x)=|x|n
n2=1
n2·La série
X
n=0
xn
n2est alors absolument convergente dans [1,1] ;
et alors ∆ = [1,1]
Exemple 3.
23
SÉRIES ENTIÈRES
X
n=0
n!xn.
Cette série ne converge que si x=0 car lim
n→∞
fn+1(x)
fn(x)
=lim
n→∞ |(n+1)x|et la limite n’existe
que si x=0 : d’où : ∆ = {0}.
Exemple 4.
X
n=1
xn
n.
Posons fn(x)=xn
non a lim
n→∞
fn+1(x)
fn(x)
=lim
n→∞ n
n+1x
=|x|.Si |x|<1, la série est
absolument convergente et si |x|>1 la série diverge.
Etudions le cas où |x|=1.
x=1 : c’est la série harmonique X1
n, elle est divergente.
x=1 : c’est la série harmonique alternée X(1)n
n!, elle est convergente.
D’où : ∆ = [1,1[.
Lemme 2.1.1 (Lemme d’Abel)
Soit Xanxnune série entière. On suppose qu’il existe x0Rtel que la
suite (anxn
0)soit bornée. Alors :
1. La série Xanxnest absolument convergente pour |x|<|x0|.
2. La série Xanxnest normalement convergente pour |x|<r, et pour tout
r tel que 0<r<|x0|.
Preuve.
La suite (anxn
0) est bornée, il existe M>0 tel que nN|anxn
0| ≤ M.
1.) Pour |x|<|x0|:
|anxn|=
anxn
0xn
xn
0
=|anxn
0|
x
x0
n
M
x
x0
n
·La série
X
n=0
x
x0
n
est une série géométrique
de raison
x
x0
<1, donc convergente. D’après le théorème de comparaison, la série
X
n=0|anxn|est convergente et par conséquent la série
X
n=0
anxnconverge absolument pour
|x|<|x0|.
2.) Soit 0 <r<|x0|et soit |x| ≤ r.
|anxn|=
anxn
0xn
xn
0
=|anxn
0|
x
x0
n
M
r
x0
n
·Comme
X
n=0
Mr
x0nest une série numérique
convergente, la série entière
X
n=0
anxnest normalement convergente pour tout xtel que
|x|<ret tout rtel que 0 <r<|x0|.
MrA N-E.
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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=
rR+:
X
n=0
anrnconverge
R+.I,car 0 I.
On distinguera trois cas : I={0},I=R+et {0} ⊂ IR+.
1) I={0}. On pose R=0.
Soit xR. 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 x1Ctel que 0 <|x1|<|x|. La série
X
n=0|anxn
1|
est convergente d’après le lemme
d’Abel (2.1.1) et donc x1I. 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 xR.
La série
X
n=0|an|rnconverge pour tout r>0.
Soit xR. 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} ⊂ IR,I,{0}et I,R.
a) Iest majoré. En eet, soit rR\Iet supposons que rn’est pas un majorant de
I. Il existerait alors r1Itel 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 rIce qui est en
contradiction avec l’hypothèse rR\I.Iest alors un ensemble non vide et majoré
donc admet une borne supérieure R=sup
rI
I. Pour conclure, on doit prouver que
Xanxnconverge absolument pour tout x,|x|<Ret diverge pour tout x,|x|>R.
b)Soit xRtel que |x|<R. Il existe ρItel 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 xR,|x|>R. Ceci implique que |x|<Iet donc la série X|anxn|diverge.
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MrA N-E.
SÉRIES ENTIÈRES
Montrons que Xanxndiverge. Pour cela, on raisonne par l’absurde. Si Xanxn
converge, d’après le lemme d’Abel, (2.1.1) la série Xanxn
1est absolument convergente
pour tout x1R, vérifiant R<|x1|<|x|et donc |x1| ∈ I. On a alors nécessairement
|x1| ≤ R=sup
rI
Iet ceci est en contradiction avec l’hypothèse R<|x1|<|x|.
Définition 2.2.1 Le nombre R=sup nrR+:X|an|rnconverge oR+∪ {+∞} est
appelé rayon de convergence de la série Xanxn.
Remarque 2.2.1 Le rayon de convergence d’une série Xanxnest caractérisé par :
1. |x|<R=Xanxnest absolument convergente.
2. |x|>R=Xanxndiverge.
3. |x|=Rest le cas douteux où on ne peut rien dire sur la nature de la série.
4. Pour tout rR+tel que r<R, la série Xanxnest normalement (donc absolu-
ment) convergente pour |x| ≤ r.
2.2.1 Détermination du rayon de convergence
Lemme 2.2.1 (Lemme d’Hadamard)
Soit Xanxnune série entière. Le rayon de convergence R est donné par la
relation : 1
R=lim
n→∞
an+1
an
=lim
n→∞
n
p|an|
Preuve.
a) Posons =lim
n→∞
an+1
an·En utilisant le critère de d’Alembert on a :
lim
n→∞
an+1xn+1
anxn
=lim
n→∞
an+1
an|x|=|x|. Ceci implique :
α)|x|<1⇒ |x|<1
=la série est absolument convergente
β)|x|>1⇒ |x|>1
=la série est divergente
D’après la remarque (2.2.1), R=1
.
b) Posons =lim
n→∞
n
p|an|. En utilisant le critère de Cauchy :
lim
n→∞
n
p|anxn|=|x|puis on adopte le même raisonnement que précédemment, on
aboutit à la même conclusion ; R=1
.
Exemple 2.2.1
MrA N-E.
26
2.3 Propriétés
1.
X
n=0
xn
n!.
On a an=1
n!, utilisons le critère de D’Alembert :
lim
n→∞
an+1
an
=lim
n→∞
n!
(n+1)!
=lim
n→∞
1
n+1
=0, donc le rayon de convergence est
R=. La série est absolument convergente pour tout xR.
2.
X
n=1
xn
n2.
On a lim
n→∞
an+1
an
=lim
n→∞
n
n+1
2=1. Le rayon de convergence est R=1. La série
est absolument convergente pour tout |x|<1 et divergente si |x|>1.
3.
X
n=0
xn
2n.
Le critère de Cauchy donne :
lim
n→∞
n
r1
2n=1
2, le rayon de convergence est R=2. La série est absolument
convergente pour tout |x|<2 et divergente si |x|>2.
Remarque 2.2.2 Soit φune application de Ndans N, la série suivante Xanxϕ(n)est
une série entière. On commence par calculer directement la limite suivante ;
=lim
n→∞
an+1xϕ(n+1)
anxϕ(n)
=lim
n→∞
an+1
an·lim
n→∞ |x|ϕ(n+1)ϕ(n)
puis chercher le domaine de xℓ < 1 ; Rest donc sup nR+=R+∪ {∞}o, où notre
série converge.
Exemple : Trouver le rayon de convergence de la série : X3nx2n+5.
Dans notre cas ϕ(n)=2n+5,
=lim
n→∞
3n+1x2n+7
3nx2n+5
=3|x|2.
La série converge si 3|x|2<1⇒ |x|<3
3d’où le rayon de convergence est : R=3
3.
La série est absolument convergente pour tout |x|<3
3et divergente si |x|>3
3.
2.3 Propriétés
Ce paragraphe étudie les propriétés de continuité, de dérivabilité et d’intégrabilité de
la fonction somme des séries entières.
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MrA N-E.
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