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Déterminer le rayon de convergence RR et la somme (pour x<R|x|<R) de la série entière suivante : S(x)=n=0+n3+n+3n+1xnS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{n^3+n+3}{n+1} x^n - Exercice 1

30 min
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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel.
Déterminer le rayon de convergence RR et la somme (pour x<R|x|<R) de la série entière suivante : S(x)=n=0+n3+n+3n+1xnS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{n^3+n+3}{n+1} x^n.

Correction
Utilisons la règle de D'Alembert. On pose an=n3+n+3n+1a_n = \dfrac{n^3+n+3}{n+1}, et on a :
limn+an+1an=limn+(n+1)3+(n+1)+3(n+1)+1n3+n+3n+1\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left|\dfrac{\dfrac{(n+1)^3+(n+1)+3}{(n+1)+1}}{\dfrac{n^3+n+3}{n+1}}\right|
Soit :
limn+an+1an=limn+(n+1)3+n+1n+2n3+n+3n+1=limn+(n+1)3nn3n=limn+(n+1)3n3\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{ \dfrac{(n+1)^3+n+1}{n+2} }{ \dfrac{n^3+n+3}{n+1} } \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{\dfrac{(n+1)^3}{n}}{\dfrac{n^3}{n}} \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{(n+1)^3}{n^3} \right|
Ainsi :
limn+an+1an=limn+(n+1n)3=limn+(1+1n)3=limn+(1+0)3\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \left( \dfrac{n+1}{n} \right)^3 \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)^3 \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \left( 1 + 0 \right)^3 \right|
Donc, on obtient :
limn+an+1an=1R=1\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = 1 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, R = 1
En effectuant la division euclidienne de n3+n+3n^3+n+3 par n+1n+1, on obtient :
n3+n+3=(n+1)(n2n+2)+1n3+n+3n+1=n2n+2+1n+1n^3+n+3 = (n+1) (n^2-n+2)+ 1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{n^3+n+3}{n+1} = n^2 - n + 2 + \dfrac{1}{n+1}
Soit encore :
n3+n+3n+1=(n1)n+2+1n+1\dfrac{n^3+n+3}{n+1} = (n-1)n + 2 + \dfrac{1}{n+1}
Ce qui nous permet d'écrire que :
S(x)=n=0+((n1)n+2+1n+1)xn=n=0+(n1)nxn+2n=0+xn+n=0+xnn+1S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \left( (n-1)n + 2 + \dfrac{1}{n+1} \right) x^n = \sum_{n=0}^{+\infty} (n-1)n x^n + 2 \sum_{n=0}^{+\infty} x^n + \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{x^n}{n+1}
Soit encore :
S(x)=x2n=0+(n1)nxn2+2n=0+xn+1xn=0+xn+1n+1S(x) = x^2 \sum_{n=0}^{+\infty} (n-1)n x^{n-2} + 2 \sum_{n=0}^{+\infty} x^n + \dfrac{1} {x}\sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{x^{n+1}}{n+1}
Ce qui nous permet d'écrire que :
S(x)=x2n=0+d2dx2(xn)+211x1x(n=1+xnn)S(x) = x^2 \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{d^2}{dx^2} (x^n) + 2 \dfrac{1}{1-x} - \dfrac{1}{x} \left( - \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{x^n}{n} \right)
Par convergence uniforme, pour 1<x<1-1<x<1, mais avec pour x0x\neq 0, on a la permutation suivante :
S(x)=x2d2dx2n=0+xn+21x1xln(1x)S(x) = x^2 \dfrac{d^2}{dx^2} \sum_{n=0}^{+\infty} x^n + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{1}{x} \ln(1-x)
D'où :
S(x)=x2d2dx2(11x)+21x1xln(1x)S(x) = x^2 \dfrac{d^2}{dx^2} \left( \dfrac{1}{1-x} \right) + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{1}{x} \ln(1-x)
Soit encore :
S(x)=x2(2(1x)3)+21x1xln(1x)S(x) = x^2 \left( \dfrac{2}{(1-x)^3} \right) + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{1}{x} \ln(1-x)
Finalement, on obtient, pour x0x \neq 0, la somme suivante :
S(x)=n=0+n3+n+3n+1xn=2x2(1x)3+21xln(1x)xS(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{n^3+n+3}{n+1} x^n = \dfrac{2x^2}{(1-x)^3} + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{\ln(1-x)}{x}
Mais, on a :
limx0±S(x)=limx0±(2x2(1x)3+21xln(1x)x)=0+2(1)=3\lim_{x \longrightarrow 0^\pm} S(x) = \lim_{x \longrightarrow 0^\pm} \left( \dfrac{2x^2}{(1-x)^3} + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{\ln(1-x)}{x} \right) = 0 + 2 - (-1) = 3
En effectuant un prolongement par continuité en x=0x=0, en posant S(x=0)=3S(x=0) = 3, on peut écrire que :
x]1;1[,S(x)=n=0+n3+n+3n+1xn=2x2(1x)3+21xln(1x)x\forall x \in ]-1\,;\,1[, \,\,\, S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{n^3+n+3}{n+1} x^n = \dfrac{2x^2}{(1-x)^3} + \dfrac{2}{1-x} - \dfrac{\ln(1-x)}{x}

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