Une série entière de variable
est une série de la forme
où
.
Les termes de la suite
sont appelés les coefficients de la série entière.
Pour chaque
on étudie la convergence de la série numérique
. L'ensemble des
pour lesquels la série entière converge est appelé domaine de convergence.
La somme de cette série entière est la
fonction
définie sur le domaine de convergence.
I.1.2 Remarque
Comme pour les séries numériques, on peut considérer des séries entières dont le premier terme n'est pas d'indice
. Pour revenir dans le cadre du cours, on considère que les premiers termes de
sont nuls.
La convergence des séries numériques ne dépend pas de la valeurs des premiers termes (mais la somme oui !).
Explication
On reconnaît une série entière au fait qu'on voit apparaître la variable
à la puissance
exactement (l'indice de somme) et que le facteur de
est une quantité qui ne dépend que de
et pas de
: son coefficient.
Plus précisément, chaque somme partielle est une fonction polynomiale de la variable
.
I.1.4 Proposition (Rappel)
Soit
une suite de nombres complexes.
Preuve
Simple écriture de la définition, pour
on a évidemment
.
I.1.5 Exemple
Soit
. On a vu que la série numérique
converge ssi
. On peut donc considérer la série entière
qui est bien définie sur
. C'est le disque unité ouvert.
On a alors
.
I.1.6 Définition
On considère deux séries entières
.
La série somme
est la série entière
.
Le produit de
par le scalaire
est la série entière
.
La série produit est la série entière
où
I.1.7 Remarque
Si les séries numériques
et
convergent pour une valeur de
, alors la série somme et la série produit par un scalaire convergent aussi pour ce
.
Pour assurer la convergence de la série produit, il faut supposer la convergence absolue des séries numériques.
I.1.8 Exemple
Trouver
le domaine de convergence de
et
celui de
.
Où est définie la série somme ?
Soit
converge ssi
donc
.
Pour
, remarquons d'abord que si
alors
et donc la série diverge grossièrement. Supposons donc
. Alors
(elle tend vers 0 en module) et donc
. Comme
converge, par comparaison de séries à termes positifs, converge absolument donc converge. Ainsi
.
Comme la somme d'une série (numérique) convergente et d'une série divergente est une série divergente, la série entière somme converge sur
.
I.2 Convergence d'une série entière
I.2.1 Définition
Soit
. On appelle disque ouvert de centre
et de rayon
l'ensemble
.
I.2.2 Remarque
.
I.2.3 Théorème (Lemme d'Abel)
Soit
. Supposons qu'il existe
tel que
est une suite bornée. Alors pour tout
(ie |z| < r)
Preuve
Soit
tel que
. Alors
Comme
, la série
converge et donc
converge absolument par comparaison de séries à termes positifs.
I.2.4 Exemple
On considère la série entière
.
convient donc
est inclus dans le domaine de convergence.
I.2.5 Définition-proposition
Soit
une série entière.
L'ensemble
est un intervalle de
de la forme
(la deuxième borne est ouverte ou fermée, finie ou non)
est appelé
rayon de convergence
de la série entière
Preuve
Il faut montrer que
est un intervalle de la forme
(borne ouverte ou fermée,
).
Il suffit de montrer que si
alors
ie que tous les nombres inférieurs à
sont encore dans
.
Soit
et
. Alors, pour
,
et donc
est bornée, c'est à dire que
.
I.2.6 Rayon de référence
Le rayon de convergence de la série géométrique
vaut 1.
La série entière nulle possède un rayon de convergence infini.
I.2.7 Exemple
Calculons le rayon de convergence de
.
Si
alors
n'est pas bornée (son module tend vers
).
Si
,
converge vers 0 donc est bornée.
Finalement,
et donc
.
I.2.8 Rayon nul
On peut très bien avoir
(et donc
) c'est a dire que pour tout
,
n'est pas bornée. Par exemple
convient.
I.2.9 Théorème
Soit
une série entière de rayon de convergence
.
Si
alors la série numérique
converge absolument donc converge.
Si
alors la série numérique
diverge grossièrement.
Si
on ne peut pas conclure a priori sur la nature de
.
Preuve
Il s'agit juste un redite du lemme d'Abel (si
alors
pour un
).
Il suffit de remarquer qu'une suite non bornée ne peut tendre vers 0 (car toute suite convergente est bornée).
Reprenons la série
. Pour
, il s'agit de la série harmonique, notoirement divergente. Pour
, on trouve une série convergente.
I.2.10 Domaines de convergence
Une série entière réelle (on calcule
pour
réel) est convergente au moins sur l'intervalle
où
est le rayon de convergence. La convergence en
est éventuellement à étudier au cas par cas.
Pour une série complexe, la série converge sur
. Sur l'ensemble
, on ne peut rien dire a priori.
I.2.11 Contraposées
Si on trouve un
tel que la série numérique
converge alors
.
Si on trouve un
tel que la série numérique
diverge alors
.
I.3 Calcul du rayon de convergence
I.3.1 Rayon 1
Soit
une série entière de rayon de convergence
.
Si
n'est pas bornée (par exemple
) alors
.
Si
est bornée (par exemple
converge), alors
.
I.3.2 Proposition
Soient
une série de convergence de rayon de convergence
et
une série entière de rayon de convergence
Si
alors
(un cas particulier :
).
Si
alors
.
Preuve
Soit
. On doit montrer que
est bornée (et donc que
). Or par hypothèse, on peut poser
tel que
pour tout
. Ainsi
et
est bornée donc
est bornée aussi. Ainsi
et tout nombre plus petit que
est plus petit que
. On ne peut pas avoir
, c'est à dire qu'on a prouvé
.
C'est une conséquence directe car dans ce cas
et
.
I.3.3 Exemple
Le rayon de convergence de
est 1 car
.
I.3.4 Conséquence
Comme pour les séries numériques, on peut commencer par calculer un équivalent simple de
et raisonner sur cet équivalent.
I.3.5 Exemple
Trouver le rayon de convergence de
.
On a
.
Ainsi
et le rayon cherché vaut 1.
I.3.6 Théorème
Soient
une série entière de rayon de convergence
et
une série entière de rayon de convergence
.
Pour
, la série entière
est de rayon de convergence
. Le cas
donne un rayon infini.
Le rayon de convergence
de la série somme vérifie
si
et
dans le cas
.
Le rayon de convergence
de la série produit vérifie
.
Preuve
Il s'agit d'une traduction directe des propriétés de convergences vu dans le chapitre sur les séries. Le méthode est la suivante : on prend
(le rayon de convergence que l'on veut calculer) et on prouve la convergence par application du chapitre sur les séries numériques. La remarque
I.2.11
conclut.
I.3.7 Inégalités strictes
On peut tout à fait avoir des inégalités strictes dans le théorème précédent.
Il suffit de considérer des séries opposées pour la somme et le produit par la série nulle.
I.3.8 Proposition
Soit
. Les séries entières
ont le même rayon de convergence.
Preuve
Notons
ces deux rayons (respectifs).
Comme
,
. On traite maintenant le cas
.
Soit
. Montrons que
est bornée. Soit
. Alors, pour
,
é
.
Or, par croissances comparées,
et est donc bornée. Par produit,
est bornée.
Ainsi
et finalement
.
I.3.9 Exemple
Les séries suivantes sont de rayon de convergence 1 :
où
.
I.4 d'Alembert
Commençons par un rappel :
I.4.1 Théorème (Règle de d'Alembert)
Soit
telle que
.
Supposons que
.
Si
alors
converge (on a même
).
Si
alors
diverge grossièrement (car
).
Si
la série
peut être divergente ou convergente.
I.4.2 Application au calcul de rayon de convergences
Calculer le rayon de convergence de
. Pour
on pose
. Alors
et donc
converge (absolument). Ainsi
pour tout
et
.
On pose
pour tout
. Calculer le rayon de convergence
de
. Pour
on pose
. Alors
. Ainsi si
,
diverge donc
.
En effet, pour
tel que
, la série en peut pas converger, et donc on ne peut pas avoir
d'après le théorème
I.2.9
. De plus, si
,
converge donc
. Finalement
.
II Propriétés de la somme, cas réel
Dans cette partie, on note
les séries entières et on considère que
est réel (peu importe pour les
). Ainsi, si
est de rayon
on considère la fonction (qui est la somme de la série)
.
II.1 Intégration
II.1.1 Théorème
Soit
la somme d'une série entière de rayon de convergence
. Alors
est continue sur
.
Preuve
Cette preuve est hors programme...
Soit
. Montrons que
. Il s'agit d'un résultat d'inversion de limites.
Soit
. On note
. Alors, pour
,
.
Ainsi
On se restreint maintenant à des valeurs de
dans
pour un
bien choisi (de telle manière que cette intervalle soit inclus dans
).
Soit
tel que
.
Alors
.
D'après
I.3.8
, la somme partielle du majorant converge vers
qui ne dépend pas de
(seulement de
, qui lui ne dépend que de
). Par passage à la limite en faisant
,
et donc par encadrement (cette fois
),
.
II.1.2 Exercice
Soit
une fonction définie par une série entière
de rayon de convergence
avec
et
. Montrer que
s'annule au moins une fois.
II.1.3 Exemple
Posons
. Alors
.
De plus, pour
,
et aussi pour
.
Donc
est bien la somme de cette série entière sur
en entier et donc
est continue sur
en entier.
II.1.4 Théorème (Intégration terme à terme)
Soit
la somme d'une série entière de rayon de convergence
.
Remarquons que les séries entières qui interviennent ici sont de rayon de convergence
exactement d'après
I.3.8
Preuve
Encore une fois hors programme.
Soit
et
entre 0 et
. Soit également
. Il s'agit encore une fois de pouvoir faire tendre
vers
.
Or
.
On voit apparaître des restes de séries numériques absolument convergentes, appliquons l'inégalité triangulaire (sur l'intégrale et la série, on conserve la valeur absolue extérieure au cas où
).
Or, pour
entre 0 et
,
. De plus,
converge absolument donc on peut trouver
tel que
pour un
fixé.
Alors, pour ces
,
qui peut être rendu arbitrairement proche de 0.
Ainsi,
.
II.1.5 Exemple
Posons
, qui est la somme d'une série entière de rayon 1.
Ainsi, pour
on a
.
Après un changement d'indice, on obtient la formule (à connaître et à savoir retrouver)
De plus,
ssi
(
on veut changer
en
dans la formule précédente, on calcule le nouveau domaine de validité
) et donc
II.1.6 Exercice
Exprimer
comme somme d'une série pour
.
II.1.7 Exercice
Pour quels
peut-on écrire
sous forme d'une série entière ?
Réponse :
II.1.8 Corollaire
Sous les mêmes hypothèses que le théorème, on peut calculer, pour
l'intégrale
en intégrant la somme terme à terme.
L'hypothèse importante est que
doivent être à l'intérieur de
et pas une borne de cet intervalle.
II.2 Dérivation
II.2.1 Théorème (Dérivation terme à terme)
Soit
la somme de la série entière
de rayon de convergence
.
est dérivable sur
et pour
on a
Remarquons que la série entière qui définit
est également de rayon de convergence
.
Preuve
Hors programme. Posons, au hasard,
qui est bien définie sur
, continue et que l'on peut intégrer terme à terme d'après le théorème
II.1.4
. Alors pour
,
et donc
est une primitive de
.
Ainsi
est dérivable et
.
II.2.2 Exemple
Calculons
après avoir prouvé sa convergence.
Premièrement la série entière
est de rayon de convergence 1. Notons
sa somme. Sa dérivée est
.
Comme
,
est bien la somme d'une série convergente et
.
II.2.3 Théorème
Soit
la somme de la série entière
de rayon de convergence
. Alors
est de classe
sur
et les dérivées de
sont obtenues par dérivation terme à terme de la série entière, ou encore
Preuve
Simple récurrence. Hors programme aussi.
II.2.4 Exemple
Posons
.
Alors
est de classe
sur
par quotient dont le dénominateur ne s'annule pas.
De plus, pour
on a
.
Cette relation est encore vraie en 0. Ainsi
et finalement
est
sur
.
II.2.5 Corollaire
Soit
une série entière de rayon de convergence
et
sa somme. Alors
pour tout
.
II.2.6 Taylor
Nous ne sommes pas si étonnés de ce résultat. On retrouve les coefficients du développement de Taylor de
(qui est
) en 0.
II.2.7 Corollaire (``Identification'' (unicité) des coefficients)
Les coefficients d'une série entière de
rayon non nul
sont uniques.
Plus précisément, si
et
sont de rayons non nuls et vérifient pour un
que
alors
.
II.2.8 Application importante
Si une série entière
est de rayon
et vérifie
pour
alors tous ses coefficients sont nuls.
II.2.9 Exemple
Cherchons une fonction
somme d'une série entière qui vérifie
. Notons
la série cherchée de rayon
(inconnu pour l'instant).
Alors
pour tout
.
Alors on a pour tout
. Par récurrence immédiate
et
qui est bien de rayon
.
On a vérifié a posteriori que l'hypothèse faite sur le rayon est cohérente avec le résultat obtenu.
III Développement en série entière
III.1 Taylor
III.1.1 Théorème fondamental du calcul différentiel
Si
est continue sur l'intervalle
non vide et non réduit à un point et
alors
est la primitive de
sur
qui s'annule en
. Il faut bien remarquer que
est une constante et que la variable de
se trouve être la borne supérieure d'une intégrale. En particulier, si
est de classe
sur
et
, on a
.
III.1.2 Théorème (Formule de Taylor avec reste intégral)
Soit
, (où
est un intervalle non vide et non réduit à un point)
. Alors
Preuve
La preuve se fait par récurrence, le théorème fondamental du calcul différentiel étant le cas
.
Pour l'hérédité, on effectue une intégration par parties :
et
(la variable étant
,
est fixé).
III.1.3 Théorème (Inégalité des accroissements finis)
Soient
,
et
. On suppose en plus que
est dérivable sur
.
Si on peut trouver
tels que
alors
Si on peut trouver
tel que
alors
qui reste vrai même quand
(à condition de réécrire l'intervalle sous la forme
).
Preuve
Il s'agit d'une application directe du théorème des accroissements finis, lui même conséquence de théorème de Rolle, pour mémoire.
III.1.4 Théorème (Inégalité de Taylor-Lagrange)
Soit
(où
est un intervalle non vide et non réduit à un point) et
.
On pose
la valeur maximale de
pour
entre
Preuve
existe car
est continue sur un intervalle fermé et borné.
Il s'agit ensuite seulement de majorer le reste intégral en utilisant l'inégalité triangulaire sur les intégrale puis la majoration
.
III.2 Fonctions développables
III.2.1 Définition
Soit
une fonction de classe
sur
tel que
et
n'est pas une borne de
.
Le
développement de Taylor
de
est la série entière
.
III.2.2 Exemple
On a déjà vu que
est la somme de son développement de Taylor sur
:
On a même prouvé que
converge pour tout
(
ce qui est cohérent avec ce chapitre, car le rayon de convergence de cette série entière, est
.)
On pose alors, pour
,
et le théorème sur le produit de Cauchy montre qu'on a bien
pour tous complexes
.
III.2.3 Définition
Soit
où
est intervalle qui contient 0 (et 0 n'est pas une borne de
).
On dit que
est
développable en série entière
(au voisinage de 0) ssi il existe
et une série entière
tels que :
est de rayon
.
Autrement dit,
est la somme d'une série entière sur un intervalle
contenu dans
.
La série entière
est appelée
développement en série entière
de
.
III.2.4 Résumé
Soit
une fonction développable en série entière sur
avec
.
est
sur
.
Le développement en série entière est unique sur
et il s'agit du développement de Taylor de
.
Toute primitive de
est développable en série entière sur
.
Les dérivée successives de
sont développable en série entière sur
.
III.2.5 Remarque
Il existe des fonctions
sans être développable en série entière. Par exemple
prolongée en 0 par
est de classe
sur
(par récurrence, et application précise du théorème de prolongement
).
Par contre sa série deTaylor est nulle et donc
ne coïncide avec cette série sur aucun intervalle infini centré en 0.
III.2.6 Parité
Si
est DSE et paire, alors les
sont nuls. Si
est impaire, les
sont nuls.
Pour obtenir ce résultat, on utilise l'unicité des coefficients sur l'égalité
ou
.
III.3 Développements en pratique
Dans les preuves des résultats qui suivent se trouvent les méthodes principales pour prouver qu'une fonctions est développable et calculer son développement.
III.3.1 Exemple
Donner le DSE (si possible) de
qui est définie sur
.
Soit
(dans l'intervalle de convergence des deux séries entières que l'on voit apparaître ici).
A priori ce produit de Cauchy a un rayon de convergence
(cf théorème
I.3.6
)
Or
diverge donc la suite
n'est pas bornée. Ainsi
. Finalement
et
est développable sur
.
Remarque : on ne pouvait pas espérer beaucoup plus pour un DSE, vu que
est définie sur
. Ceci n'empêchait pas a priori la série entière d'avoir un rayon plus grand que 1...
III.3.2 Proposition
et
sont développable en série entière sur
et pour tout
Preuve
Prouvons le pour
.
Premièrement, le rayon de convergence de la série considéré est
.
Soit
et
. Alors
sur tout intervalle et d'après l'inégalité de Taylor-Lagrange appliquée entre 0 et
:
Par croissances comparées
et
coïncide bien avec son développement de Taylor sur
.
III.3.3 Formules d'Euler
Montrons que pour
on a
Pour
on a
où on a remarqué que
vaut 0 lorsque
est impair et 2 lorsque
est pair.
De plus, pour
,
. Finalement
d'après la proposition précédente.
III.3.4 Proposition
et
sont développable en série entière sur
et pour tout
Preuve
Similaire. A faire en exo. On peut également utiliser les opérations sur les DSE en remarquant que
.
III.3.5 Proposition
Soit
.
est développable en série entière sur
et
Le coefficient de
est un quotient d'un produit de
termes par
. Si
, le rayon de convergence est
et le développement est en fait une somme finie.
Preuve
Considérons le problème de Cauchy
.
Clairement
est solution sur
. On considère que
.
Analyse
Cherchons maintenant une solution
somme d'une série entière de rayon
,
.
Alors
Par unicité des coefficients d'une série entière (valable car
), on obtient la relation :
.
De plus, on doit avoir
c'est à dire
. Par récurrence immédiate,
.
Synthèse
Considérons la série entière
où
. Calculons le rayon de convergence
de cette série. Pour
on a Aucun besoin de simplifier le quotient, c'est la relation de récurrence qui donne le résultat. Ainsi si
la série entière diverge et donc
. De plus, si
la série converge et donc
. Finalement,
et le calcul fait dans l'analyse montre que la fonction somme est solution du problème de Cauchy considéré sur
.
Par unicité de la solution à un problème de Cauchy (sur un intervalle),
est développable en série entière sur
.
III.3.6 Exemple
Soit
. Donnons le DSE de
qui est de rayon 1 d'après le théorème précédent.
Nous devons calculer, pour
,
.
Ainsi, pour
III.3.7 Exemple
Montrons que
est DSE et donnons son développement.
est DSE sur l'ensemble
. et on a pour
:
(rappel : un produit vide vaut 1 par convention).
Or pour
,
par l'opération classique consistant à multiplier et diviser par le produit des nombres pairs entre 2 et
.
Finalement,
.
Par intégration terme à terme :
et le rayon de convergence est 1.