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Déterminer la rayon de convergence de la série entière n=0+1(n+1)2nx2n+1\sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{(n+1)2^n} \, x^{2n+1}. - Exercice 1

40 min
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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel.
Déterminer la rayon de convergence de la série entière n=0+1(n+1)2nx2n+1\sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{(n+1)2^n} \, x^{2n+1}.

Correction
Nous allons faire usage de la règle de Cauchy.
Pour tout nombre entier naturel nn, on pose 2n+1=p2n+1 = p.
Ainsi n=p12n = \dfrac{p-1}{2}. Donc :
n+1=p12+1=p12+22=p1+22=p+12n + 1 = \dfrac{p-1}{2} + 1 = \dfrac{p-1}{2} + \dfrac{2}{2} = \dfrac{p-1+2}{2} = \dfrac{p+1}{2}
On constate que lorsque n=0n = 0 alors p=1p = 1 et lorsque n+n \longrightarrow +\infty alors p+p \longrightarrow +\infty.
De fait, on a alors :
n=0+1(n+1)2nx2n+1=p=1+1p+122p12xp=p=1+1(p+1)×21×2p12xp=p=1+1(p+1)2p121xp\sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{(n+1)2^n} \, x^{2n+1} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{\dfrac{p+1}{2}2^\frac{p-1}{2}} \, x^{p} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{(p+1) \times 2^{-1} \times 2^\frac{p-1}{2}} \, x^{p} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-1}{2}-1}} \, x^{p}
Soit :
n=0+1(n+1)2nx2n+1=p=1+1(p+1)2p1222xp=p=1+1(p+1)2p122xp=p=1+1(p+1)2p32xp\sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{(n+1)2^n} \, x^{2n+1} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-1}{2} - \frac{2}{2}}} \, x^{p} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-1-2}{2} }} \, x^{p} = \sum_{p=1}^{+\infty} \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-3}{2} }} \, x^{p}
Ainsi, pour tout entier naturel non nul pp, posons ap=1(p+1)2p32>0a_p = \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-3}{2} }} > 0.
On a alors :
limp+app=limp+app=limp+1(p+1)2p32p=limp+(1(p+1)2p32)1p=limp+(1p2p2)1p=limp+(1p2p)1p\lim_{p \longrightarrow + \infty} \sqrt[p]{|a_p|} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \sqrt[p]{a_p} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \sqrt[p]{ \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-3}{2} }} } = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{(p+1) 2^{\frac{p-3}{2} }} \right)^{\frac{1}{p}} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{p 2^{ \frac{p}{2} }} \right)^{\frac{1}{p}} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{p \sqrt{2}^{ p }} \right)^{\frac{1}{p}}
Soit :
limp+app=limp+(1p×12p)1p=limp+(1p1p×12p1p)=limp+(1p1p×121)=12limp+1p1p\lim_{p \longrightarrow + \infty} \sqrt[p]{|a_p|} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{p} \times \dfrac{1}{\sqrt{2}^{p }} \right)^{\frac{1}{p}} = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{p^{\frac{1}{p}}} \times \dfrac{1}{{\sqrt{2}^p}^{\frac{1}{p}}} \right) = \lim_{p \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{p^{\frac{1}{p}}} \times \dfrac{1}{\sqrt{2}^1} \right) = \dfrac{1}{\sqrt{2}} \lim_{p \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{p^{\frac{1}{p}}}
Puis, posons X=1pX = \dfrac{1}{p}. Si p+p \longrightarrow + \infty alors X0X \longrightarrow 0. Donc, on a (avec les croissances comparées) :
limp+1p1p=limX0XX=limX0eln(XX)=limX0eXln(X)=elimX0Xln(X)=e0=1\lim_{p \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{p^{\frac{1}{p}}} = \lim_{X \longrightarrow 0} X^X = \lim_{X \longrightarrow 0} e^{\ln(X^X)} = \lim_{X \longrightarrow 0} e^{X\ln(X)} = e^{\displaystyle{\lim_{X \longrightarrow 0}} X\ln(X)} = e^0= 1
Ceci nous permet d'obtenir :
limp+app=12×1=12\lim_{p \longrightarrow + \infty} \sqrt[p]{|a_p|} = \dfrac{1}{\sqrt{2}} \times 1 = \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Ainsi, le rayon de convergence de la série entière proposée est R=112=2R = \dfrac{1}{\dfrac{1}{\sqrt{2}}} = \sqrt{2}.

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