Questions de cours. tend vers 0, alors que la série harmonique 1. v n = ln n La série u n est convergente, et la série [ ( )]

Transcription

1 PC - DS N 6 - U corrigé Questios de cours QC..a L assertio a. est fausse. Par exemple, la suite + ted vers 0, alors que la série harmoique + est divergete. QC..b L assertio b. est vraie. Supposos que la série u coverge. Par défiitio, la suite S de ses sommes partielles est covergete, disos vers u réel S. La suite S S coverge doc vers 0, ce qui reviet à dire que la suite u coverge vers 0. QC..c L assertio c. est fausse elle foctioe toutefois lorsque u et v sot à termes positifs. Cosidéros par exemple les deux suites u et v défiies pour 0 par : u = v = l Puisque la suite u ted vers 0, o peut déjà dire que v = l + u u. E revache, les séries + u et v e sot pas de même ature : La série u est covergete d après le critère spécial des séries alterées, alors que la série v est divergete. E effet, e utilisat le DL 0 de la foctio x l + x, o obtiet v = u o +. La série u est covergete, et la série [ ] + + o + est divergete so terme gééral est équivalet à lorsque ted vers +, doc, la série v est divergete. QC..d L assertio d. est fausse. Pour s e covaicre, o peut cosidérer la suite u = +. La série u est covergete d après le critère spécial des séries alterées, mais la série u, qui est autre que la série harmoique, est divergete. QC. Nous allos démotrer que la série proposée est covergete e utilisat le critère spécial des séries alterées. Posos, pour, a = l lx. La foctio x est croissate sur ]0, e] et décroissate sur x [e, + [. La suite a 3 est doc décroissate et ted clairemet vers 0. Le critère spécial des séries alterées permet doc d affirmer que la série a est covergete, ce qui reviet à dire que la série l est covergete. Préiaires P..a D après l iégalité triagulaire, o peut écrire : t k t k ε = Nε ε k=n+ k=n+ k=n+ k=n+ t k ε Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page /8

2 P..b N Posos A = t k et remarquos que A e déped pas de. Pour > N, o peut alors écrire : T = + Or, la suite costate A + N t k + + k=n+ t k coverge vers 0, doc : Aisi, pour > N MaxN, N, o peut écrire : E coclusio : Cela reviet exactemet à dire : A N N, > N = A + ε T ε + ε + ε k=n+ ε > 0, N N, > N = T ε La suite T ted vers 0. t k A + + ε + P. Supposos que la suite t ted vers u réel T. La suite t T coverge doc vers 0, doc, d après la questio., o peut dire que la suite t k T = t k T ted vers 0. La suite + + t k coverge doc vers T. + Si la suite t ted vers T, la suite T ted aussi vers T. Remarque : L éocé viet simplemet de ous faire redémotrer le théorème de Césaro! P.3.a Pour tout N, o peut écrire : T = + coskθ = + Re e ikθ = + Re e iθ k Puisque θ ]0, π[, le complexe e iθ est différet de, ce qui permet d écrire : e iθ + e T = + Re e iθ = i + + Re θ + e i θ e i + θ e i θ e i θ e i θ = + Re e i θ i si + θ = + Re e i θ si + θ i si θ si θ N, T = + cos θ si + θ si θ P.3.b Les foctios cos et si état borées par, o peut écrire : N, T + si θ O peut e déduire : Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page /8

3 La suite T ted vers 0. P.3.c Das le cas où θ = π 3, la suite t = cosθ e coverge pas car sa sous-suite t 3 = e coverge pas. Aisi : Si θ = π 3, la suite t e coverge pas. P.3.d L exemple proposé das la questio 3. permet de démotrer, à l aide d u cotre-exemple, que la réciproque de la questio. est fausse. Partie I I. La suite a est covergete, doc, c est ue suite borée. Aisi, il existe u réel K > 0 tel que a K pour tout. Cela reviet à écrire : Il existe u réel K tel que : N, a K. I. Soit x [0, [. O déduit de la majoratio précédete que :, a x K x Kx Or, la série x est ue série géométrique covergete car x [0, [, doc, par comparaiso de séries à termes positifs, o déduit que la série a x est covergete, c est-à-dire : Pour tout x [0, [, la série a x est absolumet covergete. I.3 Soiet x [0, [ et N. Commeços par remarquer que la quatité + que reste d ue série covergete. O trouve alors : L fx + a k x k + k=+ a k x k = L fx + k=+ a k x k = L fx + a k x k = L N, x [0, [, u = L fx + a k a k x k + a k x k a bie u ses, e tat a k + k=+ a k a k x k k=+ I.4.a Soit N. La partie A = { ka k, k } est ue partie de R, majorée car a vérifie, et o vide car a y appartiet, doc, à ce titre, la partie A admet ue bore supérieure : Pour tout N, le réel M = sup ka k existe. k I.4.b Avec les otatios itroduites das la questio précédete, o a A+ A pour tout N. O e déduit M + M pour tout N, doc, la suite M est décroissate, et miorée par 0, doc : a k x k Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 3/8

4 La suite M est covergete. Détermios sa ite. Cosidéros ε > 0. Puisque la suite ka k coverge vers 0, il existe N N tel que : k N, ka k ε. Le réel ε est doc u majorat tous les esembles A pour N, doc, ue bore supérieure état le plus petit des majorats, il viet : N, 0 M ε. O e déduit : La suite M coverge vers 0. I.5 Soiet N et x [0, [. E appliquat l iégalité triagulaire das le résultat de la questio I.3, o obtiet : u L fx + a k x k + + a k x k k=+ Or, pour tout k, o a ka k M, d où a k M k u L fx + a k x k + L fx + La derière somme ifiie mise e jeu état égale à Nous allos maiteat utiliser le résultat suivat : O e déduit aussitôt : x N, x [0, [, u L fx + M, ce qui permet d écrire : a k x k + M, o déduit : M xk k=+ x k a k x k + x M k k k N, x [0, [, x k = x x k x = k x j=0 N, x [0, [, u L fx + x j=0 k a k + x M I.6 E appliquat ce qui précède avec x = [0, [, o déduit : N, u L f + k a k + M Or, d après l hypothèse, o a f + = L. D autre part, puisque la suite kak ted vers 0, o peut déduire du théorème de Césaro redémotré das les préiaires que la suite d où : + k a k = Efi, puisque la suite M ted vers 0, o peut fialemet coclure que : La suite u ted vers 0. I.7 k a k = 0 + ka k ted vers 0, D après ce qui précède, la suite a k ted vers L, c est-à-dire, la série a coverge et a pour 0 somme L. La foctio f : x a x, à priori défiie uiquemet sur [0, [, est doc prologeable par cotiuité e e posat f = L. La ouvelle foctio aisi défiie sur [0, ] est alors cotiue e à gauche. Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 4/8

5 La foctio f est prologeable par cotiuité e e posat f = L = a. Partie II II. D après le cours, les deux foctios proposées sot développables e série etière sur ], [ et o peut écrire : + x ], [, x = x x ], [, + x = + x II. x ] R, R[ : Soit y : x a x ue foctio développable e série etière sur ] R, R[. O trouve, pour tout 0 4x y x + 4xy x yx = 4x + = 4 = = a x + 4x a x a x + 4 [ 4 ] a x = a x La foctio y est doc solutio de E autour de l origie si et seulemet si : x ] mi, R, mi, R[, [ 4 ] + a x = x x = Par uicité du développemet e série etière d ue foctio, cela équivaut à écrire : { a 0 = 0 N, 4 a = a x x p Aisi : L uique foctio DSE et solutio de E est x 4 x. = O costate que si ρ [0, [, la suite 4 ρ est borée, et lorsque ρ >, la suite doc, par défiitio : R = Sup {ρ 0 tel que la suite a ρ est borée } = Le rayo de covergece de la série etière p= 4 x vaut. 4 ρ a x ted vers +, II.3.a Pour tout, o peut écrire : α + β α + + β α + β + α β = + 4 = 4 L égalité 4 = α + β sera doc vérifiée pour tout si et seulemet si α+β = 0 et α β =. + Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 5/8

6 , 4 = + + II.3.b Il est facile de costater que la série etière défiissat la foctio h a u rayo de covergece égal à o peut reveir à la défiitio du rayo de covergece, ou ecore utiliser d Alembert. La foctio h est doc de classe C sur ], [ et o trouve, pour tout u ], [ : O peut doc écrire : h u = u = u = u = u + + u u ], [, hu = h0 }{{} = 0 l u + l + u = l u + l + u + u u I, hu = l u II.3.c O peut écrire, pour tout x I : Hx = x + = x + x + + = x h x O e déduit : x I, Hx = + x l x x II.3.d O obtiet, à l aide des questios précédetes, pour tout x I : ϕx = = = [ + p=0 + + x p+ + p + = [ x = + = ] x + x + = ] x + = [xhx Hx ] x I, ϕx = + x x l + x x II.3.e Pour x I, o peut ecore écrire : ϕx = + x 4 x l + x x 4 x l x = + x 4 x l + x + + x 4 x l x x Lorsque x ted vers par valeurs iférieures, la derière fractio mise e jeu ted vers 0 par croissaces comparées, doc, o peut coclure : x x< ϕx = Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 6/8

7 II.4.a Il est facile de costater que a = 0. D autre part, d après la questio II.3.e, o obtiet : + Aisi : x x< + a x = x ϕx = x< La suite a satisfait les hypothèses et de la Partie I. II.4.b Nous sommes exactemet das les coditios d applicatio du I, et la questio I.7 permet de coclure que la série a coverge et a pour somme. Remarquos alors que la somme S vaut + + a, d où : = S = 4 = II.5 E utilisat la questio II.3.a, o obtiet, pour tout : S = k= k + [ = k + p=0 p + O obtiet des sommes télescopiques, et après simplificatios : S = [ ] + E faisat tedre vers +, o obtiet : 4 = = k= ] k + puis e rajoutat le terme correspodat à l idice 0, o retrouve le résultat de la questio II.4.b : S = 4 = Partie III III. La répose est NON! Preos par exemple c = pour tout 0. La série etière 0 c x a pour rayo de covergece, et la somme de sa série sur ], [ est la foctio x +x qui admet pour ite H = lorsque x ted vers par valeurs iférieures. Pourtat, la série c est divergete et même grossièremet!. III. Puisque tous les termes c sot positifs, il suffit de démotrer que la suite des sommes partielles de la série c est majorée pour e déduire la covergece de la série associée. O peut écrire : p N, x [0, [, p c x E faisat tedre x vers par valeurs iférieures, o e déduit : p N, p c H c x = hx Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 7/8

8 La série c est covergete. 0 Posos, pour tout 0 et tout x [0, ], f x = c x. Toutes les foctios f sot cotiues sur [0, ]. Par ailleurs, la série de foctios f coverge ormalemet sur [0, ] ; e effet : 0, x [0, ], 0 f x c = 0, f [0,] Vu que la série c est covergete, la série f [0,] l est aussi. Fialemet, la cotiuité des foctios f et la covergece ormale de la série de foctios f sur [0, ] et doc sur tout segmet de [0, ] permet d affirmer que la foctio somme, e l occurrece h, est cotiue sur [0, ], doc, e particulier e. E coclusio : x x< hx = h = c c III.3 D après la partie I, il suffit de rajouter l hypothèse pour coclure que la série coverge. 0 FIN! Auteur du corrigé : Nicolas JOUSSE icolas.jousse@prepas.org Page 8/8