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Corrigé du contrôle de maths L2 : séries numériques à termes positifs

    Corrigé du contrôle de maths L2 : séries numériques à termes positifs

    Voici le corrigé du contrôle de maths de L2 sur le thème : séries numériques à termes positifs.

    Voici la correction complète du partiel sur les séries numériques à termes positifs. Chaque réponse cite le théorème employé et vérifie la positivité des termes, condition indispensable pour conclure par équivalents ou par comparaison.

    Vous y trouverez la démonstration rédigée du critère de Riemann, les calculs de limites pour les règles de d’Alembert et de Cauchy, puis la comparaison série-intégrale illustrée par une figure. Le problème utilise enfin la sommation des relations de comparaison pour obtenir un développement du reste. Un barème détaillé clôt chaque exercice.

    L’énoncé se trouve sur la page contrôle de maths l2 : séries numériques à termes positifs.

    Barème du contrôle
    Exercice Points
    Exercice 1 : Question de cours, le critère de Riemann 4 points
    Exercice 2 : Nature de cinq séries 5 points
    Exercice 3 : Deux séries à paramètre 3 points
    Exercice 4 : Encadrer deux sommes partielles 3 points
    Exercice 5 : Problème, équivalent du reste d’une série de Riemann 5 points
    Total 20 points

    Exercice 1 : Question de cours, le critère de Riemann (4 points)

    1. Soit \(k \geq\, 2\). Pour \(t \in [k-1, k]\), on a \(0 < k-1 \leq\, t \leq\, k\). Comme \(\alpha > 0\), la fonction \(t \mapsto t^{\alpha}\) est croissante sur \(]0, +\infty[\), donc \(\dfrac{1}{k^{\alpha}} \leq\, \dfrac{1}{t^{\alpha}} \leq\, \dfrac{1}{(k-1)^{\alpha}}\). On intègre ces inégalités sur un intervalle de longueur 1 (croissance de l’intégrale) : \(\dfrac{1}{k^{\alpha}} \leq\, \displaystyle\int_{k-1}^{k} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} \leq\, \dfrac{1}{(k-1)^{\alpha}}\).
    2. On somme l’inégalité de gauche pour \(k\) de 2 à \(n\) (relation de Chasles) :
      \[S_n = 1 + \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{k^{\alpha}} \leq\, 1 + \int_{1}^{n} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} = 1 + \frac{1 – n^{1-\alpha}}{\alpha – 1} \leq\, 1 + \frac{1}{\alpha – 1} = \frac{\alpha}{\alpha – 1}.\]
      La suite \((S_n)\) est croissante, car ses termes ajoutés sont positifs, et elle est majorée. Par le théorème de la limite monotone, elle converge. Donc la série \(\sum \frac{1}{n^{\alpha}}\) converge pour \(\alpha > 1\).
    3. On somme cette fois l’inégalité de droite pour \(k\) de 2 à \(n\) :
      \[\int_{1}^{n} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} \leq\, \sum_{k=2}^{n} \frac{1}{(k-1)^{\alpha}} = S_{n-1}.\]
      Si \(\alpha = 1\), l’intégrale vaut \(\ln n\), qui tend vers \(+\infty\). Si \(0 < \alpha < 1\), elle vaut \(\dfrac{n^{1-\alpha} – 1}{1 – \alpha}\), qui tend aussi vers \(+\infty\) car \(1 – \alpha > 0\). Par comparaison, \(S_{n-1} \to +\infty\) : la série diverge pour \(0 < \alpha \leq\, 1\). Enfin, si \(\alpha \leq\, 0\), on a \(\frac{1}{n^{\alpha}} = n^{-\alpha} \geq\, 1\) : le terme général ne tend pas vers 0 et la série diverge grossièrement.

    Barème : a) 1 point (0,5 pour la monotonie de \(t \mapsto t^{\alpha}\), 0,5 pour l’intégration) ; b) 1,5 point : 0,5 pour la sommation, 0,5 pour le calcul de l’intégrale, 0,5 pour l’argument de limite monotone ; c) 1,5 point : 0,5 pour la minoration, 0,5 pour les deux calculs d’intégrale, 0,5 pour le cas \(\alpha \leq\, 0\).

    Exercice 2 : Nature de cinq séries (5 points)

    1. Le terme \(u_n\) est positif et \(u_n \sim \dfrac{n}{n^3} = \dfrac{1}{n^2}\). Or \(\sum \frac{1}{n^2}\) est une série de Riemann convergente (\(2 > 1\)). Par le théorème de comparaison par équivalents pour les séries à termes positifs, \(\sum u_n\) converge.
    2. On a \(1 – \cos x \geq\, 0\) et \(1 – \cos x \sim \dfrac{x^2}{2}\) quand \(x \to 0\). Comme \(\frac{1}{n} \to 0\), \(u_n \sim \dfrac{1}{2n^2}\), terme positif d’une série convergente. Par équivalence, \(\sum u_n\) converge.
    3. On a \(u_n > 0\) et \(\ln(1+x) \sim x\) quand \(x \to 0\), donc \(u_n \sim \dfrac{1}{n^{1/2}}\). La série de Riemann \(\sum \frac{1}{n^{1/2}}\) diverge car \(\frac{1}{2} \leq\, 1\). Par équivalence de séries à termes positifs, \(\sum u_n\) diverge.
    4. Le terme \(u_n\) est strictement positif et \(\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \dfrac{(n+1)^2}{2n^2} = \dfrac{1}{2}(1 + \dfrac{1}{n})^2 \to \dfrac{1}{2}\). La limite est strictement inférieure à 1, donc, d’après la règle de d’Alembert, \(\sum u_n\) converge.
    5. Le terme \(u_n\) 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 \(n \ln(1 + \frac{1}{n}) \to 1\), le rapport tend vers \(e^{-1} < 1\). Par la règle de d’Alembert, \(\sum u_n\) converge.

    Erreur fréquente : appliquer un équivalent sans vérifier que les termes sont positifs, ou conclure avec la règle de d’Alembert quand la limite du rapport vaut 1.

    Barème : 1 point par série : 0,5 pour l’équivalent ou la limite du rapport, 0,5 pour le critère cité avec ses hypothèses et la conclusion.

    Exercice 3 : Deux séries à paramètre (3 points)

    1. La fonction exponentielle est convexe, donc \(e^{x} \geq\, 1 + x\) avec égalité seulement pour \(x = 0\). Avec \(x = \frac{1}{n} \neq 0\), on obtient \(e^{1/n} – 1 – \frac{1}{n} > 0\), donc \(u_n > 0\). Ensuite, \(e^{x} – 1 – x \sim \dfrac{x^2}{2}\) quand \(x \to 0\), d’où
      \[u_n \sim n^{a} \times \frac{1}{2n^2} = \frac{1}{2n^{2-a}}.\]
      Par comparaison avec la série de Riemann \(\sum \frac{1}{n^{2-a}}\), la série converge si et seulement si \(2 – a > 1\). Ainsi, \(\sum u_n\) converge si et seulement si \(a < 1\).
    2. Si \(a \leq\, 0\), alors \(1 – \frac{a}{n} \geq\, 1\), donc \(w_n \geq\, 1\) : le terme général ne tend pas vers 0, la série diverge grossièrement. Si \(a > 0\), pour \(n > a\) on a \(0 < 1 – \frac{a}{n} < 1\), donc \(w_n > 0\) et
      \[(w_n)^{1/n} = (1 – \frac{a}{n})^{n} = \exp(n \ln(1 – \frac{a}{n})) \to e^{-a}.\]
      En effet, \(n\ln(1 – \frac{a}{n}) \sim n \times (-\frac{a}{n}) = -a\). Comme \(e^{-a} < 1\), la règle de Cauchy donne la convergence. Conclusion : \(\sum w_n\) converge si et seulement si \(a > 0\).

    Barème : a) 1,5 point : 0,5 pour la positivité, 0,5 pour l’équivalent, 0,5 pour la discussion ; b) 1,5 point : 0,5 pour le cas \(a \leq\, 0\), 1 pour la règle de Cauchy (limite et conclusion).

    Exercice 4 : Encadrer deux sommes partielles (3 points)

    1. La fonction \(t \mapsto \frac{1}{t}\) est décroissante sur \([1, +\infty[\). Pour \(k \geq\, 1\) et \(t \in [k, k+1]\), \(\frac{1}{t} \leq\, \frac{1}{k}\), donc \(\int_{k}^{k+1} \frac{\mathrm{d}t}{t} \leq\, \frac{1}{k}\). En sommant de 1 à \(n\) : \(\ln(n+1) \leq\, H_n\). De même, pour \(k \geq\, 2\), \(\frac{1}{k} \leq\, \int_{k-1}^{k} \frac{\mathrm{d}t}{t}\), et en sommant de 2 à \(n\) : \(H_n – 1 \leq\, \ln n\). D’où \(\ln(n+1) \leq\, H_n \leq\, 1 + \ln n\). Pour \(n \geq\, 2\), on divise par \(\ln n > 0\) :
      \[\frac{\ln(n+1)}{\ln n} = 1 + \frac{\ln(1 + \frac{1}{n})}{\ln n} \leq\, \frac{H_n}{\ln n} \leq\, 1 + \frac{1}{\ln n}.\]
      Les deux bornes tendent vers 1. Par le théorème des gendarmes, \(H_n \sim \ln n\).
    2. Cette fois, \(t \mapsto \ln t\) est croissante. Pour \(k \geq\, 1\), \(\ln k \leq\, \int_{k}^{k+1} \ln t \,\mathrm{d}t\) ; pour \(k \geq\, 2\), \(\int_{k-1}^{k} \ln t \,\mathrm{d}t \leq\, \ln k\) (voir la figure). En sommant, et puisque \(\ln 1 = 0\) :
      \[\int_{1}^{n} \ln t \,\mathrm{d}t \leq\, L_n \leq\, \int_{1}^{n+1} \ln t \,\mathrm{d}t.\]
      Une primitive de \(\ln\) est \(t \mapsto t\ln t – t\), donc \(\int_{1}^{x} \ln t \,\mathrm{d}t = x \ln x – x + 1\). On obtient \(n \ln n – n + 1 \leq\, L_n \leq\, (n+1)\ln(n+1) – n\). Pour l’équivalent, on divise par \(n \ln n\). La borne de gauche donne \(1 – \frac{1}{\ln n} + \frac{1}{n \ln n} \to 1\). Pour celle de droite, \((n+1)\ln(n+1) = (n+1)\ln n + (n+1)\ln(1 + \frac{1}{n})\) et \(0 \leq\, (n+1)\ln(1 + \frac{1}{n}) \leq\, \frac{n+1}{n} \leq\, 2\), donc
      \[\frac{(n+1)\ln(n+1) – n}{n \ln n} \leq\, \frac{n+1}{n} + \frac{2 – n}{n \ln n} \to 1.\]
      Par encadrement, \(\ln(n!) \sim n \ln n\).

    Courbe du logarithme avec rectangles de hauteur ln k sous la courbe sur [k, k+1] et au-dessus sur [k-1, k]

    Barème : a) 1,5 point : 1 pour l’encadrement (0,5 par inégalité), 0,5 pour l’équivalent ; b) 1,5 point : 0,5 pour la comparaison, 0,5 pour le calcul des intégrales, 0,5 pour l’équivalent.

    Exercice 5 : Problème, équivalent du reste d’une série de Riemann (5 points)

    1. La fonction \(f : t \mapsto t^{-\alpha}\) est positive et décroissante sur \([1, +\infty[\). Pour \(k \geq\, 2\), on a donc \(\int_{k}^{k+1} f \leq\, f(k) \leq\, \int_{k-1}^{k} f\). On somme pour \(k\) de \(n+1\) à \(N\) :
      \[\int_{n+1}^{N+1} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} \leq\, \sum_{k=n+1}^{N} \frac{1}{k^{\alpha}} \leq\, \int_{n}^{N} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}}.\]
      Or \(\int_{x}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} = \frac{1}{(\alpha – 1)x^{\alpha – 1}}\) pour \(x > 0\), intégrale convergente car \(\alpha > 1\). En faisant tendre \(N\) vers \(+\infty\), on obtient \(\dfrac{1}{(\alpha – 1)(n+1)^{\alpha – 1}} \leq\, R_n(\alpha) \leq\, \dfrac{1}{(\alpha – 1)n^{\alpha – 1}}\). On multiplie par \((\alpha – 1)n^{\alpha – 1} > 0\) : \((\frac{n}{n+1})^{\alpha – 1} \leq\, (\alpha – 1)n^{\alpha – 1}R_n(\alpha) \leq\, 1\), et la borne de gauche tend vers 1. Par encadrement, \(R_n(\alpha) \sim \dfrac{1}{(\alpha – 1)n^{\alpha – 1}}\).
    2. Les \(R_n(\alpha)\) sont positifs et équivalents à \(\frac{1}{\alpha – 1} \times \frac{1}{n^{\alpha – 1}}\). Par comparaison avec une série de Riemann, \(\sum R_n(\alpha)\) converge si et seulement si \(\alpha – 1 > 1\), c’est-à-dire \(\alpha > 2\).
    3. On réduit au même dénominateur \(k^2(k-1)\) :
      \[\frac{1}{k-1} – \frac{1}{k} – \frac{1}{k^2} = \frac{k^2 – k(k-1) – (k-1)}{k^2(k-1)} = \frac{k^2 – k^2 + k – k + 1}{k^2(k-1)} = \frac{1}{k^2(k-1)}.\]
    4. La série télescopique vérifie \(\displaystyle\sum_{k=n+1}^{N}(\frac{1}{k-1} – \frac{1}{k}) = \frac{1}{n} – \frac{1}{N} \to \frac{1}{n}\). Les trois séries \(\sum (\frac{1}{k-1} – \frac{1}{k})\), \(\sum \frac{1}{k^2}\) et \(\sum \frac{1}{k^2(k-1)}\) convergent, donc on peut sommer l’égalité de c) de \(n+1\) à \(+\infty\) : \(\dfrac{1}{n} – R_n(2) = \displaystyle\sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{1}{k^2(k-1)}\).
    5. On a \(\frac{1}{k^2(k-1)} \sim \frac{1}{k^3}\), et ces termes sont positifs, de séries convergentes. Le théorème de sommation des relations de comparaison assure que les restes sont équivalents : \(\sum_{k>n} \frac{1}{k^2(k-1)} \sim R_n(3)\). Par a) avec \(\alpha = 3\), \(R_n(3) \sim \frac{1}{2n^2}\). Donc \(\frac{1}{n} – R_n(2) = \frac{1}{2n^2} + o(\frac{1}{n^2})\), soit \(R_n(2) = \dfrac{1}{n} – \dfrac{1}{2n^2} + o(\dfrac{1}{n^2})\). Contrôle numérique : pour \(n = 10\), \(\frac{1}{10} – \frac{1}{200} = 0{,}095\), et \(R_{10}(2) \approx 0{,}0952\).

    Barème : a) 2 points : 1 pour l’encadrement (comparaison et passage à la limite), 0,5 pour le calcul des intégrales, 0,5 pour l’équivalent ; b) 1 point ; c) 0,5 point ; d) 0,5 point (télescopage justifié) ; e) 1 point : 0,5 pour le théorème cité avec ses hypothèses, 0,5 pour le développement.

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    Après le corrigé du contrôle : séries numériques à termes positifs

    Pour consolider ce que le corrigé vous a appris, relisez le cours « Séries à termes positifs » en L2 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés séries à termes positifs.

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