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Cours · Bac+2 (MP)

Suites et séries

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Séries numériques

Non commencé

Définitions

Une série numérique est la suite des sommes partielles Sn=∑k=0nukS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k associée à la suite (uk)(u_k). On dit que ∑un\sum u_n converge si (Sn)(S_n) converge ; sa somme est lim⁡Sn\lim S_n. Critères fondamentaux : nécessaire un→0u_n \to 0 (non suffisant : série harmonique), comparaison, critère de d'Alembert (un+1un→ℓ\frac{u_{n+1}}{u_n} \to \ell : converge si ℓ<1\ell < 1, diverge si ℓ>1\ell > 1), critère de Cauchy pour les séries.

Une série alternée ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n avec an↘0a_n \searrow 0 converge (Leibniz).

Une série ∑un\sum u_n converge si les sommes partielles Sn=∑k=0nukS_n=\sum_{k=0}^n u_k convergent. Condition nécessaire : un→0u_n\to 0 (non suffisante : harmonique).

Critères : comparaison, d'Alembert, Leibniz (alternées an↘0a_n\searrow 0).

Formules

  • Sn=∑k=0nuk;∑un converge ⇔(Sn) convergeS_n = \sum_{k=0}^{n} u_k \quad ; \quad \sum u_n \text{ converge } \Leftrightarrow (S_n) \text{ converge}
  • un↛0⇒∑un divergeu_n \not\to 0 \Rightarrow \sum u_n \text{ diverge}
  • d’Alembert : un+1un→ℓ⇒{CV si ℓ<1DIV si ℓ>1\text{d'Alembert : } \frac{u_{n+1}}{u_n} \to \ell \Rightarrow \begin{cases} \text{CV si } \ell < 1 \\ \text{DIV si } \ell > 1 \end{cases}
  • ∑(−1)nan CV si an↘0\sum (-1)^n a_n \text{ CV si } a_n \searrow 0

Exemples

Exemple 1

Nature de ∑1n\sum\frac{1}{n}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Série harmonique : ∑k=n2n1k≥12\sum_{k=n}^{2n}\frac{1}{k}\geq\frac{1}{2} ; les sommes partielles ne sont pas de Cauchy. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Diverge.

Exemple 2

Nature de ∑(−1)nn\sum\frac{(-1)^n}{n}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Critère de Leibniz : an=1n↘0a_n=\frac{1}{n}\searrow 0 : convergence (semi-convergente). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Converge (Leibniz).

À retenir

Convergence absolue

Non commencé

Définitions

La série ∑un\sum u_n est absolument convergente si ∑∣un∣\sum |u_n| converge. Convergence absolue ⇒\Rightarrow convergence (simple). Si ∑∣un∣\sum |u_n| diverge mais ∑un\sum u_n converge, la série est semi-convergente. Théorème : toute série absolument convergente converge.

On peut réarranger les termes d'une série absolument convergente sans changer la somme (Riemann). Critère de comparaison : si 0≤un≤vn0 \leq u_n \leq v_n et ∑vn\sum v_n CV, alors ∑un\sum u_n CV. Critère d'équivalence : si un∼vnu_n \sim v_n et un,vnu_n, v_n de signe constant, les séries ont même nature.

Convergence absolue : ∑∣un∣\sum|u_n| CV ⇒\Rightarrow ∑un\sum u_n CV. Semi-convergence : CV mais pas absolument.

Comparaison positive, équivalents de signe constant : même nature.

Formules

  • ∑∣un∣ CV ⇒∑un CV (absolue)\sum |u_n| \text{ CV } \Rightarrow \sum u_n \text{ CV (absolue)}
  • ∣un∣≤vn, ∑vn CV ⇒∑un CV|u_n| \leq v_n,\ \sum v_n \text{ CV } \Rightarrow \sum u_n \text{ CV}
  • un∼vn (signe constant) ⇒∑un et ∑vn meˆme natureu_n \sim v_n \text{ (signe constant) } \Rightarrow \sum u_n \text{ et } \sum v_n \text{ même nature}
  • Semi-convergente : CV mais ∑∣un∣ DIV\text{Semi-convergente : CV mais } \sum |u_n| \text{ DIV}

Exemples

Exemple 1

Nature de ∑(−1)nn2\sum\frac{(-1)^n}{n^2}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) ∑1n2\sum\frac{1}{n^2} CV (Riemann α=2>1\alpha=2>1) ⇒\Rightarrow convergence absolue. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Absolument convergente.

Exemple 2

Nature de ∑sin⁡nn2\sum\frac{\sin n}{n^2}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) ∣sin⁡nn2∣≤1n2|\frac{\sin n}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2} et ∑1n2\sum\frac{1}{n^2} CV ⇒\Rightarrow CV absolue. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Absolument convergente.

À retenir

Séries de référence

Non commencé

Définitions

Séries de référence à connaître : géométrique ∑rn\sum r^n CV ssi ∣r∣<1|r|<1, somme 11−r\frac{1}{1-r} ; Riemann ∑1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} CV ssi α>1\alpha > 1 ; Bertrand ∑1nα(ln⁡n)β\sum \frac{1}{n^\alpha (\ln n)^\beta} CV ssi α>1\alpha > 1 ou (α=1\alpha=1 et β>1\beta > 1).

Série exponentielle ∑xnn!\sum \frac{x^n}{n!} CV pour tout xx, somme exe^x. Critère de Riemann en intégrale : comparer ∑1nα\sum \frac{1}{n^\alpha} à ∫1+∞1tα dt\int_1^{+\infty} \frac{1}{t^\alpha}\,dt.

Séries de référence : géométrique ∑rn\sum r^n CV ssi ∣r∣<1|r|<1 ; Riemann ∑n−α\sum n^{-\alpha} CV ssi α>1\alpha>1 ; exponentielle ∑xnn!=ex\sum\frac{x^n}{n!}=e^x.

Bertrand : ∑1nα(ln⁡n)β\sum\frac{1}{n^\alpha(\ln n)^\beta} selon α\alpha, β\beta. Euler : ∑1n2=π26\sum\frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6}.

Formules

  • ∑n=0+∞rn=11−r(∣r∣<1)\sum_{n=0}^{+\infty} r^n = \frac{1}{1-r} \quad (|r| < 1)
  • ∑n=1+∞1nα CV ⇔α>1\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^\alpha} \text{ CV } \Leftrightarrow \alpha > 1
  • ∑n=0+∞xnn!=ex\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n!} = e^x
  • ∑n=1+∞1n2=π26(Euler)\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6} \quad \text{(Euler)}

Exemples

Exemple 1

Somme de ∑n=0∞(12)n\sum_{n=0}^\infty(\frac{1}{2})^n.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Géométrique ∣r∣=12<1|r|=\frac{1}{2}<1 : somme 11−1/2=2\frac{1}{1-1/2}=2. (Ou ∑n=1∞(12)n=1\sum_{n=1}^\infty(\frac{1}{2})^n=1.) (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

∑n=0∞(12)n=2\sum_{n=0}^\infty(\frac{1}{2})^n = 2.

Exemple 2

Nature de ∑xnn!\sum\frac{x^n}{n!} pour x∈Rx\in\mathbb{R}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) d'Alembert : ∣x∣n+1→0<1\frac{|x|}{n+1}\to 0<1 : CV pour tout xx, somme exe^x. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

CV ∀x\forall x, somme exe^x.

À retenir