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Déterminer le rayon de convergence de la série entière réelle n=1+xnn2\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{x^n}{n^2}. - Exercice 1

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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel non nul.
Déterminer le rayon de convergence de la série entière réelle n=1+xnn2\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{x^n}{n^2}.
Puis, étudier la nature de cette série entière sur le bord de disque de convergence.

Correction
Appliquons la règle de d'Alembert.
Posons, pour tout nombre entier naturel non nul nn, an=1n2>0a_n = \dfrac{1}{n^2} > 0.
On a alors :
limn+an+1an=limn+an+1an=limn+1(n+1)21n2=limn+n2(n+1)2=limn+(nn+1)2=limn+(nn)2\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_{n}|} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{a_{n+1}}{a_{n}} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{\dfrac{1}{(n+1)^2}}{\dfrac{1}{n^2}} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{n^2}{(n+1)^2} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{n}{n+1} \right)^2 = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{n}{n} \right)^2
Comme nn est non nul, on a alors :
limn+an+1an=limn+(1)2=limn+1=1\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_{n}|} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 \right)^2 = \lim_{n \longrightarrow +\infty} 1 = 1
En conséquence, le rayon de convergence de la série entière proposée est R=1R=1.
Si x=1|x|=1, la série entière va nous conduire à étudier la série numérique n=1+1n2\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}. Or, cette dernière est convergente et prend la valeur numérique π26\dfrac{\pi^2}{6}.
Il s'ensuit immédiatement que la série entière proposée est également convergente sur le bord de son disque de convergence.
La série entière proposée est convergente si x1|x| \leqslant 1.

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