On appelle série de terme général
et on note
ou
la
suite
définie par
On dit que
(le nombre) est la
ième somme partielle de cette série.
Il est possible de commencer à sommer non pas à l'indice
mais à un indice entier fixé
(ce qui revient à poser
pour
).
Dans ce cas la série est notée
.
On dit que la série
converge ssi la suite des somme partielles converge. Dans le cas contraire, on dit que la série diverge. Sa
nature
est d'être convergente ou divergente.
Quand elle existe, on note
la limite des sommes partielles et on l'appelle somme de la série.
Dans le cas d'une série convergente, la suite des restes de la série est la suite définie par
I.1.2 Exemple
Considérons la série
. On note
la
-ième somme partielle, pour
.
Alors
La figure
I.1.2
illustre l'évolution des valeurs de
: on place sur un graphique des points de coordonnées
pour différentes valeurs de
.
Sur la dernière figure, on a également fait figurer la fonction
où
est une certaine constante.
I.1.3 Proposition
Soit
une suite de complexes et notons
la forme algébrique de chaque terme.
converge ssi
et
convergent. En cas de convergence on a
Preuve
Simple traduction de la même propriété sur les suites, en considérant les suites de sommes partielles.
I.1.4 Modifier une série
On ne change pas la nature convergente ou divergente d'une série en modifiant les
premières valeurs de
pour un
fixé. Par contre on modifie la valeur de la somme...
Par exemple,
converge ssi
converge (ce qui revient à fixer à 0 les deux premiers termes de
).
I.1.5 Définition-proposition
Soit
.
SI
ALORS
diverge.
Dans ce cas on dit que
diverge grossièrement.
Preuve
Supposons, au contraire, que
converge. Notons
la suite des sommes partielles.
Alors on a
et comme
converge,
. Contradiction.
I.1.6 Utilisation
Ce résultat n'a qu'une seule utilité : prouver qu'une série diverge. La contraposée est : si
converge alors
converge et sa limite est 0.
Exemple : montrer que
diverge.
I.1.7 Proposition
Considérons 2 séries
.
Si
convergent alors
converge. Dans ce cas
Si
converge et
diverge alors
diverge.
Si
divergent, on ne peut rien dire a priori sur
(cette dernière série peut être convergente ou divergente, suivant les cas).
Preuve
Trivial. Revenir aux sommes partielles.
On fait un raisonnement par l'absurde. Si
converge, alors, d'après le point précédent,
converge. Contradiction.
Par exemple
converge.
I.1.8 Attention
Le premier point est très pratique. Il s'agit de la linéarité de la somme de séries, mais il ne s'applique que lorsque
convergent toutes les deux.
I.2 Séries de référence
I.2.1 Proposition (Séries géométriques)
Soit
.
converge ssi
et
Preuve
D'après le chapitre précédent
converge vers 0 ssi
, ce qui prouve la divergence grossière si
.
Pour la convergence dans le cas
, on effectue le calcul classique, pour
,
avec
car
.
I.2.2 Théorème
Soit
.
converge ssi
.
Preuve
On évacue directement le cas
: la sériediverge grossièrement.
Pour les cas
, on utilise une méthode très utile.
Soit
. On note
.
Remarquons que
et donc
est une suite réelle croissante.
Pour
, on a
car la fonction
est décroissante sur
.
En sommant pour
allant de 2 à
on obtient
Distinguons maintenant 3 cas :
Si
, l'encadrement devient
. Par encadrement,
et donc la série harmonique
diverge.
Si
, une primitive de
sur
est
. Dans ce cas on obtient l'encadrement Pour étudier le comportement lorsque
, nous devons connaître le signe de
. Traitons pour commencer le cas
c'est à dire
. Dans ce cas
par encadrement et la série
diverge.
Si
, c'est à dire
, on obtient l'inégalité
. Alors la suite
est majorée en plus d'être croissante et converge donc.
En résumant tous les cas traités,
converge ssi
(et donc diverge ssi
).
I.2.3 Série divergente
La série
est une série divergente appelée série harmonique.
I.2.4 Théorème (Taylor avec reste intégral)
Soit
une fonction définie sur un intervalle
et
.
Preuve
Soit
Le cas
est simplement
qui est bien vérifié lorsque
est
.
Supposons, pour un
fixé, qui la formule est valide pour l'entier
et une fonction
de classe
. Alors, par intégration par parties, on a Le crochet vaut
qui est exactement le terme d'indice
dans la somme proposée.
Finalement, par récurrence, la théorème est vrai pour tous les entiers
.
I.2.5 Proposition (Série exponentielle)
Pour tout
la série
converge et on a
Preuve
Soit
. La formule de Taylor avec reste intégral appliquée à l'ordre
à
entre 0 et
(
est de classe
sur ce segment) donne
Ainsi
.
Par croissances comparées,
et donc
.
I.2.6 Une série télescopique
Exemple : Calculer la somme
.
I.3 Séries à termes positifs
I.3.1 Cadre
On s'intéresse dans ce paragraphe aux séries
où
est une suite de réels
positifs
.
En posant, pour
,
, on voit que
. Ainsi la suite
des sommes partielles est une suites croissantes de réels.
I.3.2 Théorème
Soit
une suite de réels
positifs
.
converge ssi la suite des sommes partielles est majorée.
Dans ce cas,
.
I.3.3 Remarque
Le théorème suivant est fondamental pour la compréhension et l'intuition des séries à termes positifs convergentes. Le terme général ne doit pas ``être trop grand'', ou encore il doit tendre vers 0 (sinon : divergence grossière) ``suffisamment vite''.
I.3.4 Théorème (Comparaison des séries à termes positifs)
Soient
des suites de réels
positifs
.
Si
à partir d'un certain rang et
converge alors
converge.
Si
et
converge alors
converge.
Si
et
converge alors
converge.
Si
,
et
ont la même nature.
Preuve
On note
et
les suites des sommes partielles des séries
et
respectivement.
On fait la preuve dans le cas où le certain rang est le rang 0. Sinon, comme dit précédemment, on peut ignorer les premiers termes de chaque séries sans changer leurs natures. On a alors, par somme d'inégalités,
pour tout
. Comme
converge,
est une suite majorée. Notons
un majorant. On a finalement
et donc
est majorée donc converge.
On a cette fois, pour un certain
fixé,
(car
est majorée et on note
un majorant). Par linéarité,
converge et on applique le point précédent.
Dans ce cas, on a (cf TD)
et on applique le point précédent.
Dans ce cas on a à la fois
...
I.3.5 Remarque
Ce théorème sera notre meilleur outil pour prouver la convergence ou la divergence des séries. L'idée fondamentale pour son application : on trouve
qui permet de vérifier les hypothèses de 3. ou 4. en cherchant
parmi les séries de référence.
I.3.6 Exemple
converge. On a
. Or
converge et donc, par comparaison de séries à termes positifs,
converge.
converge. Cette fois,
. On conclut en utilisant exactement la même rédaction qu'au 1).
I.3.7 Convergence et croissances comparées
Rappelons qu'avec la notation
signifiant ``est négligeable devant'', on avait
lorsque
et
. On peut résumer l'interaction avec le théorème précédent par
éé
I.3.8 Séries à termes négatifs
Pour traiter une série dont les termes sont négatifs (à partir d'un certain rang) on utilise le résultat (facile !) suivant :
I.3.9 Méthode
Après avoir vérifié que
, on commence par calculer un équivalent simple si possible et on raisonne sur l'équivalent, par exemple en essayant de la comparer à un terme général de série de Riemann.
On peut également calculer un développement asymptotique pour trouver cet équivalent.
I.3.10
Soit
une suite de réels positifs et
Si on a
alors
converge.
On a en effet
dans ce cas.
Si on a
alors
converge car
qui est un terme général de signe constant d'une série convergente.
On utilise généralement ce raisonnement après avoir calculé un équivalent, si possible. Voir le point précédent.
I.3.11 Exemple
Montrer que la série
converge. Question 5/2 : quelle est sa somme ? Quel chapitre utiliser ? On pose
pour tout
. Alors
et donc
. Comme
converge, par comparaison de série à termes positifs,
converge.
Montrer que la série
converge. En posant
le terme général pour
, on a
. Par comparaison de séries à termes positifs,
ont la même nature. De plus,
par croissances comparées. Ainsi
; Comme
converge, par comparaison de séries à termes positifs,
converge.
I.3.12 Proposition
Si on a
positives :
Si
à partir d'un certain rang et
diverge alors
diverge.
Si
et
diverge alors
diverge.
I.3.13 Remarque
Pour prouver la divergence, les relations entre les suites
et
sont inversées.
I.3.14 Exemple
Montrer que la série
diverge. On calcule un équivalent
Montrer que la série
diverge. Cette fois on a
(
calculer le quotient
). Par l'absurde. Si
converge, alors par comparaison de séries à termes positifs,
converge. Contradiction. Donc
diverge.
I.3.15 Pour montrer la divergence
On a trois principales méthodes :
le terme général ne tend même pas vers 0 : divergence grossière.
on calcule un équivalent qui est un terme général de série divergente.
, ce qui donne
.
I.3.16 Théorème (Règle de d'Alembert)
Soit
telle que
.
Supposons que
.
Si
alors
converge.
Si
alors
diverge.
Si
la série peut être divergente ou convergente.
Preuve
On reprend le théorème correspondant dans le chapitre précédent et on applique le théorème de comparaison des séries à termes positifs à
et une série géométrique convergente ( pour 1) ou divergente (pour 2).
Pour prouver le point 3, remarquer que les séries de Riemann sont toutes dans le cas
(composition par une puissance FIXÉE). Pourtant, suivant les valeurs de
la série converge ou diverge.
I.3.17 Utilisation
En général, le calcul de la limite du quotient n'est pas aisé, et en pratique vaut souvent 1...
Si l'expression de
fait apparaître des quantité
ou
en facteur, la règle de d'Alembert peut être efficace.
I.3.18 Exemple
Montrer que la série de terme général
converge. On peut ainsi retrouver un résultat bien connu de croissances comparées sur les suites.
On a bien
pour tout
. De plus,
(voir le chapitre 0). Ainsi, d'après la règle de d'Alembert,
converge.
I.4 Séries alternées
I.4.1 Théorème (Théorème des séries alternées)
Soit
une suite réelle.
Si
est décroissante et converge vers 0 alors
converge.
Preuve
Posons, pour
,
. Alors
car
(il s'agit de l'opposé d'une suite extraite de
)
(
car
est décroissante
) donc
est décroissante.
donc
est croissante.
Finalement,
sont deux suites adjacentes et convergent donc vers une limite commune
. Ainsi les sommes partielles de
convergent vers
(leurs suites des termes d'indice pairs et impairs le font).
I.4.2 Remarque
Une suite réelle décroissante et convergeant vers 0 est forcément positive.
I.4.3 Exemple
La série
converge. La preuve est simple.
Observons les sous-suites de sommes partielles qui sont adjacentes sur la figure
I.4.3
I.4.4 Un contre exemple
On peut avoir
,
converge et
diverge si la condition de positivité des suites n'est pas respectée.
Pour
, posons
.
Comme
en décroissant,
est une série alternée donc converge.
car
(comparaison d'une suite bornée à une suite de limite infinie).
. Ainsi
est la somme de 3 termes généraux de séries convergentes et d'un terme général de série divergente donc
diverge.
I.4.5 Proposition (Encadrement de la somme)
Soit
une série alternée comme au théorème précédent. Notons, pour
,
la
ième somme partielle. Alors
Preuve
Simple conséquence de la preuve précédente.
I.4.6 Remarque
Les deux résultats précédents s'appliquent également aux séries de la forme
mais les inégalités sont renversées. L'idée étant que si on termine une somme partielle par un terme positif, alors la valeur est supérieure à la limite.
I.4.7 Proposition
Soit
une suite réelle, décroissante et convergeant vers 0. Notons
pour tout
Notons, pour
,
le reste de rang
de la série convergente
. Alors pour tout
est du signe de
(son premier terme).
Preuve
En reprenant la preuve du théorème
I.4.1
, on a pour tout
ou encore
Comme
et avec les notations de la proposition précédente, on a
Ainsi
ce qui prouve le premier point.
De plus,
et
Comme
on obtient
et la seconde propriété est vérifiée pour tous les indices, qu'ils soient pairs ou impairs.
I.5 Application à l'étude de suites
I.5.1 Proposition
Soit
une suite. La suite
à la même limite (ou absence de limite) que
.
Preuve
Il s'agit simplement d'observer que les sommes partielles sont des sommes télescopiques.
I.5.2 Exemple
. Convergence ?
Posons, pour
,
.
En utilisant
avec
on trouve
Attention au produit
Ainsi
et donc
et donc
diverge par comparaison de séries à termes positifs. On en déduit que
diverge (et même
car
est une série à termes positifs).
I.5.3 Exemple
. Montrer que
converge en étudiant la convergence de
.
Même technique, on calcule un équivalent de
en utilisant un développement de
. On trouve un terme général de série de Riemann convergente cette fois-ci.
II Convergence absolue
II.1 Convergence d'une série complexe
II.1.1 Définition
Soit
une série complexe.
On dit que cette série est absolument convergente ssi
converge (prononcer module ou valeur absolue suivant les cas).
Explication
On regarde en fait la convergence d'une série positive, pour laquelle tous les théorèmes précédents s'appliquent.
II.1.2 Théorème
Soit
.
Siconverge absolument
alors
converge et on a
Preuve
Cas réel. On pose pour tout
,
et
. C'est à dire que
est
si
et 0 sinon.
est
si
et 0 sinon. Ainsi ces deux nombres sont positifs et on a
. On pose pour
,
. On sait que
. Or
. Ces deux dernières sommes sont à termes positifs et majorées par
donc les séries
convergent. Ainsi
converge par différence de série convergente.
Cas complexe. Cette fois on pose
et on sait que
converge. Soit
. On a
donc les séries
convergent absolument donc convergent par le point précédent. Ainsi la combinaison linéaire
converge.
II.1.3 Méthode obligatoire
Pour étudier une série complexe ou une série dont le signe n'est pas constant, on étudiera toujours d'abord la convergence absolue.
II.1.4 Exemple
Montrer que
converge.
Solution : Majorer la valeur absolue par un terme général (positif) de série convergente.
II.1.5 Proposition
Soit
.
converge.
Lorsque
on a de plus
.
Preuve
Pour
posons
et
car
. Alors
d'après le chapitre 0 et donc
converge d'après la règle de d'Alembert.
Ainsi
converge absolument donc converge. Le cas
est trivial car la suite des sommes partielles est constante égale à 1.
II.1.6 Attention
La réciproque est fausse. Par exemple la série
converge (en tant que série alternée), mais ne converge pas absolument.
Calculons la somme de cette série.
Pour le voir, prenons
et notons que
.
En intégrant sur
on obtient
.
Or
sur l'intervalle
et par croissance de l'intégrale et inégalité triangulaire
.
Finalement,
.
II.2 Propriétés
II.2.1 Proposition
Soient
Si
et
converge absolument alors
converge absolument.
Si
et
converge absolument alors
converge absolument.
Si
et
converge absolument alors
converge absolument.
Si
alors
converge absolument si et seulement si
converge absolument.
Preuve
Simple comparaison de séries à termes positifs.
Par définition de la relation de domination, on a aussi
et on applique le théorème de comparaison des séries à termes positifs.
Idem
Reprendre la preuve du cas positif.
II.2.2 Théorème
Soient
deux séries de complexes absolument convergentes.
Pour tout
on pose
. Alors la série converge absolument et
Preuve
Hors programme
On considère pour commencer que
sont des suite réelles positives. Notons, pour
,
. Posons de plus
Alors
. Remarquons de plus que
(qui est une somme qui contient plus de termes). Ainsi
. La série
, qui est une série de termes positifs, est majorée et donc converge. On note
sa somme. Mais on a également
la majoration étant valable car on retranche des termes positifs. Finalement,
et par passage à la limite (
, les limites existent) on obtient bien
.
Revenons maintenant au cas général. On note en plus,
,
et
les sommes de ces 3 séries (
existent par hypothèse,
d'après le cas réel positif). On a, d'après le point précédent,
. De plus,
par inégalité triangulaire et donc
converge absolument (série à termes positifs majorée) et on note encore
sa somme (l'existence de
n'est pas nécessaire à la suite du raisonnement). D'après les calculs du premier point,
est une somme
où
⟦⟧
(qui représente les termes restant après simplification, ie. ceux qui n'apparaissent pas dans
), on a par inégalité triangulaire, Par encadrement,
donc
.
II.2.3 Exemple
Posons pour
,
.
Montrer que
.
On a bien ici le produit de deux séries absolument convergentes. Notons, pour
,
.
Alors la formule du produit de Cauchy donne
d'après le théorème du binôme de Newton.
Ainsi
.