Voici le corrigé du contrôle de maths de L2 sur le thème : comparaison série-intégrale et restes.
Cette correction rédige le contrôle bilan sur les séries et intégrales généralisées. La preuve du théorème de comparaison montre comment les rectangles sous et sur la courbe donnent un encadrement des sommes partielles et des restes.
Ces encadrements fournissent ensuite la constante d’Euler, l’équivalent en ln(ln n) d’une série de Bertrand divergente et celui du reste d’une série convergente. Le problème s’achève sur un développement de zêta près de 1, obtenu par une majoration uniforme des restes. Une figure et un barème par question complètent chaque exercice.
L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths l2 : comparaison série-intégrale et restes.
| Exercice | Points |
| Exercice 1 : Question de cours, le théorème de comparaison série-intégrale | 4 points |
| Exercice 2 : La constante d’Euler | 4 points |
| Exercice 3 : Deux séries de Bertrand, somme partielle et reste | 5 points |
| Exercice 4 : Problème, la fonction zêta au voisinage de 1 | 7 points |
| Total | 20 points |
Exercice 1 : Question de cours, le théorème de comparaison série-intégrale (4 points)
- Soit \(k \geq\, 2\). Pour \(t \in [k-1, k]\), la décroissance de \(f\) donne \(f(k) \leq\, f(t) \leq\, f(k-1)\). En intégrant sur un intervalle de longueur 1, \(f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f \leq\, f(k-1)\). De même, pour \(k \geq\, 1\), \(\int_{k}^{k+1} f \leq\, f(k)\).
- Notons \(S_n = \sum_{k=1}^{n} f(k)\) et \(F(x) = \int_{1}^{x} f\). Ces deux fonctions de \(n\) et de \(x\) sont croissantes, car \(f \geq\, 0\). En sommant a) pour \(k\) de 2 à \(n\), on obtient \(S_n – f(1) \leq\, F(n) \leq\, S_{n-1}\).
Si l’intégrale converge, de valeur \(I\), alors \(F(n) \leq\, I\) et \(S_n \leq\, f(1) + I\) : la suite croissante \((S_n)\) est majorée, donc la série converge.
Si la série converge, de somme \(S\), alors \(F(n) \leq\, S\) ; pour \(x \geq\, 1\), \(F(x) \leq\, F(\lceil x \rceil) \leq\, S\). La fonction croissante \(F\) est majorée, donc elle a une limite finie en \(+\infty\). La série et l’intégrale sont de même nature. - D’après a), \(w_n \geq\, 0\) et \(w_n \leq\, f(n-1) – f(n)\). Par télescopage, \(\sum_{k=2}^{n} w_k \leq\, f(1) – f(n) \leq\, f(1)\). Les sommes partielles de la série à termes positifs \(\sum w_n\) sont majorées : \(\sum w_n\) converge, sans hypothèse sur \(\sum f(n)\).
- L’intégrale \(\int_{1}^{+\infty} f\) converge d’après b). Pour \(N > n \geq\, 1\), on somme les inégalités \(\int_{k}^{k+1} f \leq\, f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f\) pour \(k\) de \(n+1\) à \(N\) :
\[\int_{n+1}^{N+1} f(t)\,\mathrm{d}t \leq\, \sum_{k=n+1}^{N} f(k) \leq\, \int_{n}^{N} f(t)\,\mathrm{d}t.\]
En faisant tendre \(N\) vers \(+\infty\), \(\int_{n+1}^{+\infty} f \leq\, R_n \leq\, \int_{n}^{+\infty} f\).
Barème : a) 0,5 point ; b) 1,5 point : 0,5 pour l’encadrement de \(S_n\), 0,5 par implication ; c) 1 point (0,5 pour la majoration, 0,5 pour le télescopage) ; d) 1 point (0,5 pour la sommation, 0,5 pour le passage à la limite justifié).
Exercice 2 : La constante d’Euler (4 points)
- La fonction \(t \mapsto \frac{1}{t}\) est continue, positive et décroissante sur \([1, +\infty[\). Ici, \(w_k = \ln k – \ln(k-1) – \frac{1}{k}\). Par télescopage :
\[\sum_{k=2}^{n} w_k = \ln n – \ln 1 – \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k} = \ln n – (H_n – 1).\]
Donc \(u_n = H_n – \ln n = 1 – \sum_{k=2}^{n} w_k\). D’après l’exercice 1 c), la série \(\sum w_k\) converge, donc \((u_n)\) converge vers \(\gamma = 1 – \sum_{k=2}^{+\infty} w_k\). - Pour \(k \geq\, 1\), \(\int_{k}^{k+1} \frac{\mathrm{d}t}{t} \leq\, \frac{1}{k}\). En sommant de 1 à \(n\) : \(\ln(n+1) \leq\, H_n\). Ainsi \(u_n \geq\, \ln(n+1) – \ln n > 0\). De plus, \(u_n \leq\, 1\) car les \(w_k\) sont positifs. Par passage à la limite dans les inégalités larges, \(0 \leq\, \gamma \leq\, 1\). (On a en fait \(\gamma \approx 0{,}577\).)
- Par définition de la limite, \(u_n – \gamma = o(1)\), soit \(H_n = \ln n + \gamma + o(1)\). Alors
\[\sum_{k=n+1}^{2n} \frac{1}{k} = H_{2n} – H_n = \ln(2n) – \ln n + o(1) = \ln 2 + o(1).\]
La limite vaut \(\ln 2\).
Barème : a) 1,5 point : 1 pour le calcul télescopique, 0,5 pour la convergence ; b) 1 point (0,5 par inégalité) ; c) 1,5 point : 0,5 pour le développement, 1 pour la limite.
Exercice 3 : Deux séries de Bertrand, somme partielle et reste (5 points)
- La fonction \(f : t \mapsto \frac{1}{t \ln t}\) est continue, positive et décroissante sur \([2, +\infty[\), car \(t \mapsto t \ln t\) est positive et croissante. Or \(\int_{2}^{x} f = \ln(\ln x) – \ln(\ln 2) \to +\infty\). La série et l’intégrale ayant même nature, \(\sum \frac{1}{n \ln n}\) diverge.
- En sommant \(\int_{k}^{k+1} f \leq\, f(k)\) pour \(k\) de 2 à \(n\) : \(\int_{2}^{n+1} f \leq\, S_n\), soit \(\ln(\ln(n+1)) – \ln(\ln 2) \leq\, S_n\). En sommant \(f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f\) pour \(k\) de 3 à \(n\) : \(S_n – f(2) \leq\, \int_{2}^{n} f\), avec \(f(2) = \frac{1}{2\ln 2}\). On obtient l’encadrement demandé. Pour \(n \geq\, 3\), \(\ln(\ln n) > 0\) ; on divise par ce nombre. La borne de droite tend vers 1, car \(\ln(\ln n) \to +\infty\). Pour celle de gauche,
\[\ln(\ln(n+1)) – \ln(\ln n) = \ln(1 + \frac{\ln(1 + 1/n)}{\ln n}) \to 0,\]
donc elle tend aussi vers 1. Par encadrement, \(S_n \sim \ln(\ln n)\) : la divergence est extrêmement lente. - La fonction \(g : t \mapsto \frac{1}{t (\ln t)^2}\) est continue, positive et décroissante sur \([2, +\infty[\), de primitive \(t \mapsto -\frac{1}{\ln t}\). Ainsi \(\int_{x}^{+\infty} g = \frac{1}{\ln x}\) pour \(x \geq\, 2\) : l’intégrale converge, donc la série converge. L’exercice 1 d) donne, pour \(n \geq\, 2\) :
\[\frac{1}{\ln(n+1)} \leq\, \rho_n \leq\, \frac{1}{\ln n}.\]
Comme \(\ln(n+1) = \ln n + \ln(1 + \frac{1}{n}) \sim \ln n\), les deux bornes sont équivalentes à \(\frac{1}{\ln n}\). Donc \(\rho_n \sim \dfrac{1}{\ln n}\).
Erreur fréquente : conclure que \(\ln(\ln(n+1)) \sim \ln(\ln n)\) en « composant les équivalents ». Il faut ici étudier la différence, comme ci-dessus.
Barème : a) 1 point ; b) 2 points : 1 pour l’encadrement, 1 pour l’équivalent ; c) 2 points : 0,5 pour la convergence, 1 pour l’encadrement du reste, 0,5 pour l’équivalent.
Exercice 4 : Problème, la fonction zêta au voisinage de 1 (7 points)
- La série de Riemann \(\sum \frac{1}{n^{s}}\) converge pour \(s > 1\) : \(\zeta(s)\) existe. La fonction \(f : t \mapsto t^{-s}\) est continue, positive et décroissante sur \([1, +\infty[\), avec \(\int_{1}^{+\infty} f = \frac{1}{s-1}\). En sommant \(\int_{k}^{k+1} f \leq\, f(k)\) pour \(k \geq\, 1\), on obtient \(\frac{1}{s-1} \leq\, \zeta(s)\). En sommant \(f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f\) pour \(k \geq\, 2\), on obtient \(\zeta(s) – 1 \leq\, \frac{1}{s-1}\). D’où \(\dfrac{1}{s-1} \leq\, \zeta(s) \leq\, 1 + \dfrac{1}{s-1}\). En multipliant par \(s – 1 > 0\), \(1 \leq\, (s-1)\zeta(s) \leq\, s\). Par encadrement, \(\zeta(s) \sim \dfrac{1}{s-1}\) quand \(s \to 1^{+}\).
- Avec \(\int_{x}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^{s}} = \frac{1}{(s-1)x^{s-1}}\), l’exercice 1 d) donne \(\dfrac{1}{(s-1)(n+1)^{s-1}} \leq\, R_n(s) \leq\, \dfrac{1}{(s-1)n^{s-1}}\).
- L’erreur commise est \(R_n(2)\), et \(\frac{1}{n+1} \leq\, R_n(2) \leq\, \frac{1}{n}\). Si \(n \geq\, 1000\), \(R_n(2) \leq\, \frac{1}{1000} = 10^{-3}\) : l’approximation est bien à \(10^{-3}\) près. Si \(n \leq\, 998\), \(R_n(2) \geq\, \frac{1}{n+1} \geq\, \frac{1}{999} > 10^{-3}\) : la précision n’est pas atteinte. La convergence est donc lente : il faut environ mille termes pour trois décimales.
- Pour \(t \in [k, k+1]\) et \(s \geq\, 1\), \(\frac{1}{(k+1)^{s}} \leq\, \frac{1}{t^{s}} \leq\, \frac{1}{k^{s}}\). En intégrant sur \([k, k+1]\), puis en retranchant de \(\frac{1}{k^{s}}\), on obtient \(0 \leq\, d_k(s) \leq\, \dfrac{1}{k^{s}} – \dfrac{1}{(k+1)^{s}}\). Pour \(s > 1\), par la relation de Chasles :
\[\sum_{k=1}^{n} d_k(s) = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^{s}} – \int_{1}^{n+1} \frac{\mathrm{d}t}{t^{s}} \xrightarrow[n \to +\infty]{ \zeta(s) – \frac{1}{s-1}.\]
Donc \(\zeta(s) – \dfrac{1}{s-1} = \displaystyle\sum_{k=1}^{+\infty} d_k(s)\). - Pour \(s = 1\), \(\sum_{k=1}^{n} d_k(1) = H_n – \ln(n+1) = u_n – \ln(1 + \frac{1}{n})\). Cette quantité tend vers \(\gamma – 0\). Donc \(\sum_{k=1}^{+\infty} d_k(1) = \gamma\).
- Soit \(\varepsilon > 0\). Pour \(s \in [1, 2]\) et \(N \geq\, 1\), d’après d) et par télescopage :
\[0 \leq\, \sum_{k=N+1}^{+\infty} d_k(s) \leq\, \frac{1}{(N+1)^{s}} \leq\, \frac{1}{N+1}.\]
On fixe \(N\) tel que \(\frac{1}{N+1} \leq\, \varepsilon\). La somme finie \(s \mapsto \sum_{k=1}^{N} d_k(s)\) est continue en 1 : il existe \(\eta \in ]0, 1]\) tel que, pour \(1 < s < 1 + \eta\), \(|\sum_{k=1}^{N} d_k(s) – \sum_{k=1}^{N} d_k(1)| \leq\, \varepsilon\). Pour ces valeurs de \(s\), l’inégalité triangulaire donne
\[|\sum_{k=1}^{+\infty} d_k(s) – \gamma| \leq\, \varepsilon + \sum_{k>N} d_k(s) + \sum_{k>N} d_k(1) \leq\, 3\varepsilon.\]
Ainsi \(\zeta(s) = \dfrac{1}{s-1} + \gamma + o(1)\) quand \(s \to 1^{+}\). La figure montre \(\zeta\) entre ses deux bornes de a).
Barème : a) 1,5 point : 1 pour l’encadrement, 0,5 pour l’équivalent ; b) 1 point ; c) 1 point (0,5 par sens) ; d) 1,5 point : 0,5 pour l’encadrement de \(d_k(s)\), 1 pour la somme ; e) 0,5 point ; f) 1,5 point : 0,5 pour la majoration uniforme des restes, 0,5 pour la continuité de la somme finie, 0,5 pour la conclusion.
Revenir à l’énoncé du contrôle
Après le corrigé du contrôle : comparaison série-intégrale et restes
Pour consolider ce que le corrigé vous a appris, relisez le cours « Séries à termes positifs » en L2 et « Intégrales généralisées » en L2 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés séries à termes positifs, intégrales généralisées.
Retrouvez tous les contrôles de maths de L2 classés par chapitre, ou choisissez un autre niveau sur la page contrôles de maths du CP au post-bac.


![Courbe de la fonction zêta sur ]1, 4] comprise entre les courbes de 1 sur (s-1) et de 1 plus 1 sur (s-1)](https://mathovore.fr/wp-content/uploads/controles-maths/controle-maths-l2-bilan-series-integrales-generalisees-corr-ex4-zeta-encadrement.png)

























