Voici le corrigé du contrôle de maths spé sur le thème : séries numériques et sommation des équivalents.
Ce corrigé rédige chaque argument avec les hypothèses de signe que demandent les correcteurs. La preuve de la sommation des équivalents se fait avec un epsilon et un rang fixé, en séparant bien les deux cas. Pour la règle de d’Alembert, le rapport est calculé puis simplifié avant de passer à la limite.
Une figure montre les rectangles de la comparaison série-intégrale sous et au-dessus de la courbe. Le produit de Cauchy est minoré par l’inégalité arithmético-géométrique. Un second graphique illustre la convergence vers la constante d’Euler, à la vitesse prévue par le développement. Un barème détaillé termine chaque exercice.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths spé : séries numériques et sommation des équivalents.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Question de cours : sommation des relations de comparaison | 4 points |
| Exercice 2 : Nature de séries par d’Alembert et équivalents | 4 points |
| Exercice 3 : Comparaison série-intégrale | 4 points |
| Exercice 4 : Série alternée et produit de Cauchy | 3 points |
| Exercice 5 : Problème : développement asymptotique de la série harmonique | 5 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Question de cours : sommation des relations de comparaison (4 points)
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Théorème. Soient \((v_n)\) une suite de réels positifs et \((u_n)\) une suite réelle telle que \(u_n \sim v_n\).
Si \(\sum v_n\) converge, alors \(\sum u_n\) converge et les restes sont équivalents : \(R_n(u) \sim R_n(v)\).
Si \(\sum v_n\) diverge, alors \(\sum u_n\) diverge et les sommes partielles sont équivalentes : \(S_n(u) \sim S_n(v)\).
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Soit \(\varepsilon > 0\). Comme \(u_n – v_n = o(v_n)\), il existe \(N\) tel que \(|u_k – v_k| \leq\, \varepsilon v_k\) pour tout \(k \geq\, N\). En particulier, \(|u_k| \leq\, (1 + \varepsilon) v_k\) pour \(k \geq\, N\). La série \(\sum v_k\), à termes positifs, converge : par comparaison, \(\sum u_k\) converge absolument, donc converge.
Pour \(n \geq\, N\), l’inégalité triangulaire (passée à la limite dans les sommes partielles) donne :
\[|R_n(u) – R_n(v)| \leq\, \sum_{k=n+1}^{+\infty} |u_k – v_k| \leq\, \varepsilon \sum_{k=n+1}^{+\infty} v_k = \varepsilon R_n(v).\]
Ceci vaut pour tout \(\varepsilon > 0\) : \(R_n(u) – R_n(v) = o(R_n(v))\). Donc \(R_n(u) \sim R_n(v)\).
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Soit \(\varepsilon > 0\) et \(N\) comme en b). La série \(\sum u_n\) diverge, car \(u_k \geq\, (1 – \varepsilon) v_k\) pour \(k \geq\, N\) (avec \(\varepsilon < 1\)), et \(\sum v_k\) est une série positive divergente. Pour \(n \geq\, N\) :
\[|S_n(u) – S_n(v)| \leq\, \sum_{k=0}^{N-1} |u_k – v_k| + \varepsilon \sum_{k=N}^{n} v_k \leq\, C_N + \varepsilon S_n(v),\]
où \(C_N = \sum_{k=0}^{N-1} |u_k – v_k|\) ne dépend pas de \(n\). Comme \(\sum v_n\) est positive et divergente, \(S_n(v) \to +\infty\) : il existe \(N_1 \geq\, N\) tel que \(C_N \leq\, \varepsilon S_n(v)\) pour \(n \geq\, N_1\). Alors \(|S_n(u) – S_n(v)| \leq\, 2 \varepsilon S_n(v)\).
Ainsi \(S_n(u) – S_n(v) = o(S_n(v))\), c’est-à-dire \(S_n(u) \sim S_n(v)\).
Barème : a) 0,5 point par cas, hypothèse de signe comprise ; b) 0,5 point pour la convergence de \(\sum u_n\), 1 point pour la majoration des restes ; c) 0,5 point pour la découpe au rang \(N\), 0,5 point pour l’absorption de la constante, 0,5 point pour la conclusion.
Erreur fréquente : oublier l’hypothèse de signe constant sur \((v_n)\) ; sans elle, le théorème est faux.
Exercice 2 : Nature de séries par d’Alembert et équivalents (4 points)
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Le terme \(u_n = \frac{n!}{n^n}\) est strictement positif, et :
\[\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}} \times \frac{n^n}{n!} = \frac{n^n}{(n+1)^n} = (1 + \frac{1}{n})^{-n} = \exp(-n \ln(1 + \frac{1}{n})).\]
Comme \(n \ln(1 + \frac{1}{n}) \to 1\), ce rapport tend vers \(\frac{1}{e} < 1\). D’après la règle de d’Alembert, la série converge.
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Le terme \(u_n = \frac{(2n)!}{(n!)^2 5^n}\) est strictement positif, et :
\[\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2 \times 5} = \frac{2(2n+1)}{5(n+1)} \xrightarrow[n \to +\infty]{ \frac{4}{5} < 1.\]
D’après la règle de d’Alembert, la série converge.
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Pour \(n \geq\, 1\), \(1 – \cos\frac{1}{n} \geq\, 0\), et comme \(\frac{1}{n} \to 0\), \(1 – \cos\frac{1}{n} \sim \frac{1}{2n^2}\). La série de Riemann \(\sum \frac{1}{n^2}\) converge (exposant \(2 > 1\)). Par comparaison de séries à termes positifs équivalents, la série converge.
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Le terme \(u_n = \frac{a^n}{n}\) est strictement positif et \(\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{n}{n+1}\, a \to a\).
Si \(a < 1\), la série converge (d’Alembert). Si \(a > 1\), \(\frac{a^n}{n} \to +\infty\) par croissances comparées : la série diverge grossièrement. Si \(a = 1\), la règle ne conclut pas, mais on reconnaît la série harmonique : elle diverge.
Barème : 1 point par série ; en d), 0,25 point pour le rapport, 0,25 point par cas.
Exercice 3 : Comparaison série-intégrale (4 points)
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Sur \([2, +\infty[\), la fonction \(t \mapsto t \ln t\) est strictement positive et croissante, comme produit de fonctions positives croissantes. Donc \(f\) est décroissante et positive. Une primitive de \(f\) est \(F : t \mapsto \ln(\ln t)\), car \(F^{\prime}(t) = \frac{1/t}{\ln t}\).
Par décroissance, pour \(k \geq\, 2\), \(\int_k^{k+1} f \leq\, f(k)\), et pour \(k \geq\, 3\), \(f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f\). En sommant :
\[\ln(\ln(n+1)) – \ln(\ln 2) = \int_2^{n+1} f \leq\, S_n \leq\, f(2) + \int_2^{n} f = \frac{1}{2 \ln 2} + \ln(\ln n) – \ln(\ln 2).\]
Le minorant tend vers \(+\infty\) : la série \(\sum \frac{1}{k \ln k}\) diverge. De plus, \(\ln(n+1) = \ln n + \ln(1 + \frac{1}{n})\), donc :
\[\ln(\ln(n+1)) = \ln(\ln n) + \ln(1 + \frac{\ln(1 + 1/n)}{\ln n}) = \ln(\ln n) + o(1).\]
Les deux bornes s’écrivent donc \(\ln(\ln n) + O(1)\). Comme \(\ln(\ln n) \to +\infty\), on divise par \(\ln(\ln n)\) et le théorème des gendarmes donne \(\frac{S_n}{\ln(\ln n)} \to 1\). Ainsi \(S_n \sim \ln(\ln n)\).
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La fonction \(t \mapsto \frac{1}{t^2}\) est décroissante sur \(]0, +\infty[\). Pour \(k \geq\, 2\), \(\int_k^{k+1} \frac{dt}{t^2} \leq\, \frac{1}{k^2} \leq\, \int_{k-1}^{k} \frac{dt}{t^2}\). On somme pour \(k\) allant de \(n+1\) à \(+\infty\), les intégrales généralisées convergeant :
\[\frac{1}{n+1} = \int_{n+1}^{+\infty} \frac{dt}{t^2} \leq\, R_n \leq\, \int_{n}^{+\infty} \frac{dt}{t^2} = \frac{1}{n}.\]
Comme \(\frac{1}{n+1} \sim \frac{1}{n}\), l’encadrement donne \(n R_n \to 1\). Donc \(R_n \sim \frac{1}{n}\).
Barème : a) 0,5 point pour la décroissance et la primitive, 1 point pour l’encadrement, 0,25 point pour la divergence, 0,75 point pour l’équivalent ; b) 1 point pour l’encadrement, 0,5 point pour l’équivalent.
Exercice 4 : Série alternée et produit de Cauchy (3 points)
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On a \(a_n = (-1)^n b_n\) avec \(b_n = \frac{1}{\sqrt{n+1}}\). La suite \((b_n)\) est positive, décroissante, et tend vers \(0\). D’après le critère spécial des séries alternées, \(\sum a_n\) converge.
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On a \(|a_n| = \frac{1}{\sqrt{n+1}} \sim \frac{1}{n^{1/2}}\), terme d’une série de Riemann d’exposant \(\frac{1}{2} \leq\, 1\), divergente. La série n’est pas absolument convergente : elle est semi-convergente.
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On calcule \(a_k a_{n-k} = \frac{(-1)^k (-1)^{n-k}}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}} = \frac{(-1)^n}{\sqrt{(k+1)(n-k+1)}}\). Tous les termes de \(c_n\) ont donc le même signe \((-1)^n\). D’après l’inégalité arithmético-géométrique :
\[\sqrt{(k+1)(n-k+1)} \leq\, \frac{(k+1) + (n-k+1)}{2} = \frac{n+2}{2}.\]
Chacun des \(n + 1\) termes est donc au moins égal à \(\frac{2}{n+2}\) en valeur absolue, d’où \(|c_n| \geq\, \frac{2(n+1)}{n+2}\). Ce minorant tend vers \(2\), donc \((c_n)\) ne tend pas vers \(0\).
La série \(\sum c_n\) diverge grossièrement. Le théorème sur le produit de Cauchy exige que les deux séries soient absolument convergentes, hypothèse en défaut d’après b).
Barème : a) 1 point (trois hypothèses du critère citées) ; b) 0,5 point ; c) 0,5 point pour le signe commun, 0,5 point pour la minoration, 0,5 point pour la divergence et l’hypothèse manquante.
Exercice 5 : Problème : développement asymptotique de la série harmonique (5 points)
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Pour \(n \geq\, 2\), \(w_n = H_n – H_{n-1} – \ln n + \ln(n-1) = \frac{1}{n} + \ln\frac{n-1}{n} = \frac{1}{n} + \ln(1 – \frac{1}{n})\).
Le développement limité \(\ln(1 – x) = -x – \frac{x^2}{2} + o(x^2)\) en \(0\), avec \(x = \frac{1}{n}\), donne \(w_n = -\frac{1}{2n^2} + o(\frac{1}{n^2})\), donc \(w_n \sim -\frac{1}{2n^2}\).
La série \(\sum -w_n\) est donc, à partir d’un certain rang, à termes positifs, et équivalente au terme d’une série de Riemann convergente. Elle converge. Or \(u_n = u_1 + \sum_{k=2}^{n} w_k\) : par le lien suite-série, la suite \((u_n)\) converge.
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Pour \(N > n\), \(u_N – u_n = \sum_{k=n+1}^{N} w_k\). En faisant tendre \(N\) vers \(+\infty\), on obtient \(\gamma – u_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} w_k\), donc :
\[u_n – \gamma = \sum_{k=n+1}^{+\infty} (-w_k).\]
On applique le théorème de sommation des équivalents dans le cas convergent (exercice 1) avec \(-w_k \sim \frac{1}{2k^2}\), la suite \((\frac{1}{2k^2})\) étant positive et de série convergente. Les restes sont équivalents : \(u_n – \gamma \sim \frac{1}{2} R_n\). D’après l’exercice 3 b), \(R_n \sim \frac{1}{n}\). Donc \(u_n – \gamma \sim \frac{1}{2n}\).
Autrement dit, \(u_n – \gamma = \frac{1}{2n} + o(\frac{1}{n})\), soit :
\[H_n = \ln n + \gamma + \frac{1}{2n} + o(\frac{1}{n}).\]
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On a \(\sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k} = H_{2n} – H_n\). Avec le développement de b), appliqué en \(2n\) puis en \(n\) :
\[H_{2n} – H_n = \ln(2n) + \gamma + \frac{1}{4n} – \ln n – \gamma – \frac{1}{2n} + o(\frac{1}{n}).\]
Comme \(\ln(2n) – \ln n = \ln 2\) et \(\frac{1}{4n} – \frac{1}{2n} = -\frac{1}{4n}\), on obtient \(\sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k} = \ln 2 – \frac{1}{4n} + o(\frac{1}{n})\).
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D’après c), le terme général vérifie \(t_n = H_{2n} – H_n – \ln 2 \sim -\frac{1}{4n}\). Il est donc négatif à partir d’un certain rang. La série \(\sum -t_n\) est alors à termes positifs, équivalents à ceux de \(\frac{1}{4}\sum \frac{1}{n}\), divergente. La série \(\sum t_n\) diverge.
Barème : a) 0,25 point pour \(w_n\), 0,5 point pour l’équivalent, 0,75 point pour la convergence de \((u_n)\) ; b) 0,5 point pour l’écriture en reste, 1 point pour le théorème cité avec ses hypothèses, 0,5 point pour le développement de \(H_n\) ; c) 1 point ; d) 0,5 point.
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Après le corrigé du contrôle : séries numériques et sommation des équivalents
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