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Séries numériques

Exercice 15 - Exercice 1

30 min
50
Avec Abel.
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul et soit a2πZa \notin 2 \pi \mathbb{Z}. On désigne par i\mathsf{i} le nombre complexe qui satisfait à i2=1\mathsf{i}^2 = -1.

Étudier la nature de la série S=n=1+einanS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} .

Correction
Pour nn un nombre entier naturel non nul, on pose an=1na_n = \dfrac{1}{n} et bn=einab_n = e^{ \mathsf{i} na}.
On constate que la suite réelle (an)nN(a_n)_{n \in \mathbb{N}^\star} est positive, décroissante et à pour limite 0+0^+.
Puis la suite (bn)nN(b_n)_{n \in \mathbb{N}^\star} à pour somme partielle Sn=k=1neika=k=1n(eia)kS_n = \sum_{k=1}^{n} e^{ \mathsf{i} ka} = \sum_{k=1}^{n} \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^k
On reconnait alors une sommation des termes d'une suite géométrique. On a alors :
Sn=k=1neika=k=1n(eia)k=eia1(eia)n1eiaS_n = \sum_{k=1}^{n} e^{ \mathsf{i} ka} = \sum_{k=1}^{n} \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^k = e^{ \mathsf{i} a} \dfrac{1 - \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^n}{1- e^{ \mathsf{i} a}}
Et comme a2πZa \notin 2 \pi \mathbb{Z} alors eika1e^{ \mathsf{i} ka} \neq 1.
Ainsi :
Sn=eia1(eia)n1eia=eia×1(eia)n1eia=1(eia)n1eia=1eina1eia\left\vert S_n \right\vert = \left\vert e^{ \mathsf{i} a} \dfrac{1 - \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^n}{1- e^{ \mathsf{i} a}} \right\vert = \left\vert e^{ \mathsf{i} a} \right\vert \times \left\vert \dfrac{1 - \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^n}{1- e^{ \mathsf{i} a}} \right\vert = \left\vert \dfrac{1 - \left( e^{ \mathsf{i} a} \right)^n}{1- e^{ \mathsf{i} a}} \right\vert = \left\vert \dfrac{1 - e^{ \mathsf{i} n a} }{1- e^{ \mathsf{i} a}} \right\vert
En imaginant faire appel aux formule d'EulerEuler, on obtient :
Sn=1eina1eia×1=1eina1eia×1eia1eia=(1eina)×(1eia)(1eia)×(1eia)=(1eina)×(1+eia)1eiaeia+eiaeia\left\vert S_n \right\vert = \left\vert \dfrac{1 - e^{ \mathsf{i} n a} }{1- e^{ \mathsf{i} a}} \times 1 \right\vert = \left\vert \dfrac{1 - e^{ \mathsf{i} n a} }{1- e^{ \mathsf{i} a}} \times \dfrac{1 - e^{ -\mathsf{i} a} }{1 - e^{ -\mathsf{i} a}} \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 - e^{- \mathsf{i} a} \right) }{\left( 1- e^{ \mathsf{i} a} \right) \times \left(1 - e^{- \mathsf{i} a} \right)} \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 1 - e^{- \mathsf{i} a} - e^{ \mathsf{i} a} + e^{ \mathsf{i} a}e^{- \mathsf{i} a}} \right\vert
Ce qui nous donne :
Sn=(1eina)×(1+eia)1eiaeia+eiaia=(1eina)×(1+eia)1eiaeia+e0=(1eina)×(1+eia)1eiaeia+1\left\vert S_n \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 1 - e^{- \mathsf{i} a} - e^{ \mathsf{i} a} + e^{ \mathsf{i} a - \mathsf{i} a}} \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 1 - e^{- \mathsf{i} a} - e^{ \mathsf{i} a} + e^{0}} \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 1 - e^{- \mathsf{i} a} - e^{ \mathsf{i} a} + 1} \right\vert
Ce qui nous permet d'écrire que :
Sn=(1eina)×(1+eia)22×eia+eia2=(1eina)×(1+eia)22cos(a)=1eina×1+eia2(1cos(a))\left\vert S_n \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 2 - 2 \times\dfrac{e^{- \mathsf{i} a} + e^{ \mathsf{i} a}}{2} } \right\vert = \left\vert \dfrac{ \left( 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right) \times \left( 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right) }{ 2 - 2 \cos(a) } \right\vert = \dfrac{\left\vert 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right\vert \times \left\vert 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right\vert}{2 \left( 1 - \cos(a) \right)}
De plus, on a immédiatement la majoration suivante :
1eina×1+eia2×2\left\vert 1 - e^{ \mathsf{i} n a} \right\vert \times \left\vert 1 + e^{ \mathsf{i} a} \right\vert \leqslant 2 \times 2
Donc, il est possible d'écrire la majoration suivante :
Sn2×22×(1cos(a))\left\vert S_n \right\vert \leqslant \dfrac{2 \times 2}{2 \times \left( 1 - \cos(a) \right)}
Soit :
Sn21cos(a)\left\vert S_n \right\vert \leqslant \dfrac{2}{1 - \cos(a) }
Ainsi, on a immédiatement :
0Sn21cos(a)0 \leqslant \left\vert S_n \right\vert \leqslant \dfrac{2}{1 - \cos(a) }
La suite des sommes partielles de la suite (bn)nN(b_n)_{n \in \mathbb{N}^\star} est donc bornée.
Les hypothèses du théorème d'Abel sont donc satisfaites. En conséquence la série de terme général an×bna_n \times b_n est de nature convergente.
Finalement, la série S=n=1+einanS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} est de nature convergente.
Question 2

Étudier la nature de la série S=n=1+cos(na)nS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\cos(na)}{n} .

Correction
On a :
S=n=1+cos(na)n=n=1+eˊ(einan)S = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\cos(na)}{n} = \sum_{n=1}^{+\infty} \Re\mathrm{é} \left( \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} \right)
Comme le série n=1+einan\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} est de nature convergente, alors sa partie réelle est également convergente.
Finalement, la série S=n=1+cos(na)nS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\cos(na)}{n} est de nature convergente.
Question 3

Étudier la nature de la série S=n=1+sin(na)nS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\sin(na)}{n} .

Correction
On a :
S=n=1+sin(na)n=n=1+m(einan)S = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\sin(na)}{n} = \sum_{n=1}^{+\infty} \Im\mathrm{m} \left( \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} \right)
Comme le série n=1+einan\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{e^{ \mathsf{i} na}}{n} est de nature convergente, alors sa partie imaginaire est également convergente.
Finalement, la série S=n=1+sin(na)nS = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\sin(na)}{n} est de nature convergente.