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Déterminer le rayon de convergence de la série entière n=1+xnln(n)\sum_{n=1}^{+\infty} x^n \ln(n). - Exercice 1

30 min
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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel non nul.
Déterminer le rayon de convergence de la série entière n=1+xnln(n)\sum_{n=1}^{+\infty} x^n \ln(n).
Puis, étudier ce qui se passe sur la bord du disque de convergence.

Correction
Faisons usage de la règle de D'Alembert.
Pour tout nombre entier naturel non nul nn, posons an=ln(n)0a_n = \ln(n) \geqslant 0.
On a alors :
limn+an+1an=limn+an+1an=limn+ln(n+1)ln(n)\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{\ln(n+1)}{\ln(n)}
Or, on a :
ln(n+1)ln(n)=ln(n(1+1n))ln(n)=ln(n)+ln(1+1n)ln(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} = \dfrac{\ln\left( n \left( 1 + \dfrac{1}{n} \right) \right)}{\ln(n)} = \dfrac{\ln(n) + \ln\left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)}{\ln(n)}
Lorsque nn va tendre vers ++\infty, on aura de fait ln(n)0\ln(n) \neq 0. Donc, lorsque n+n \longrightarrow + \infty, on a :
ln(n+1)ln(n)+1+ln(1+1n)ln(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{\ln\left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)}{\ln(n)}
Soit encore :
ln(n+1)ln(n)+1+1nln(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{\dfrac{1}{n}}{\ln(n)}
Ainsi, on obtient :
ln(n+1)ln(n)+1+1nln(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{1}{n\ln(n)}
Mais, par croissances comparées, on sait que :
limn+1nln(n)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n\ln(n)} = 0
Donc, on obtient :
ln(n+1)ln(n)+1+0=1\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + 0 = 1
Ainsi :
limn+an+1an=1\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_{n}|} = 1
On peut donc affirmer que la rayon de convergence de la série entière proposée est R=1R = 1.
Puis, lorsque x=1|x| = 1, nous sommes naturellement conduit à nous intéresser à la série numérique n=1+ln(n)\sum_{n=1}^{+\infty} \ln(n). Or, sur R+\mathbb{R}^{+\star}, la fonction ln\ln est strictement croissante et, sur [1;+[[1 \,;\, + \infty[, cette fonction est positive. De fait la série numérique n=1+ln(n)\sum_{n=1}^{+\infty} \ln(n) est divergente.
On peut donc affirmer que la série entière proposée est convergente pour 1<x<1-1 < x < 1.

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