🔴  Lives #BAC2024

À partir du 12 mai, révise le bac avec nous sur YouTube tous les soirs à 19h30 ! Découvrir la chaîne →

Séries numériques

Exercice Entrainement 11 - Exercice 1

40 min
65
Un classique !
Question 1
Soit nNn \in \mathbb{N}. On note par Ha\mathcal{H}_a la série suivante : Ha=n=0+(1)nn+1\mathcal{H}_a = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n + 1}

Démontrer que Ha\mathcal{H}_a converge.

Correction
Appliquons à la série Ha\mathcal{H}_a le théorème des séries alternées. On a :
\blacklozenge \,\, Premieˋre eˊtape : \textbf{Première étape : }
On a nN\forall n \in \mathbb{N} :
n+2>n+11n+2<1n+11(n+1)+1<1n+1n + 2 > n + 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{n+2} < \dfrac{1}{n + 1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{(n+1)+1} < \dfrac{1}{n + 1}
Soit encore :
(1)n+1(n+1)+1<(1)nn+1\left| \dfrac{(-1)^{n+1}}{(n+1) + 1} \right| < \left| \dfrac{(-1)^n}{n+1} \right|
Donc :
un+1<un\left| u_{n+1} \right| < \left| u_n \right|
\blacklozenge \blacklozenge \,\, Seconde eˊtape : \textbf{Seconde étape : }
On a :
limn+un=limn+1n+1=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left| u_n \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n+1} = 0
En conclusion, la théorème de convergence des séries alternées nous permet d'affirmer que la série numérique Ha\mathcal{H}_a converge.
Question 2

Démontrer que Ha\mathcal{H}_a est semi-convergente. Cele signifie que cette série numérique est convergente mais pas absolument convergente.

Correction
Pour démontrer que Ha\mathcal{H}_a est semi-convergente, démontrons que la série numérique
Ha\mathcal{H}_a n'est pas absolument convergente. On a :
n=0+(1)nn+1=n=0+1n+1\sum_{n=0}^{+\infty} \left| \dfrac{(-1)^n}{n + 1} \right| = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{n+1}
Utilisons maintenant la comparaison avec l'intégrale impropre associée. On a alors :
0+1x+1dx=limb+0b1x+1dx\int_{0}^{+\infty} \dfrac{1}{x+1} \, dx = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{x+1} \, dx
Ainsi :
0+1x+1dx=limb+[ln(x+1)]0b=limb+ln(b+1)ln1=limb+ln(b+1)\int_{0}^{+\infty} \dfrac{1}{x+1} \, dx = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left[ \ln(x+1) \right]_{0}^{b} = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \ln (b+1) - \ln 1 = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \ln (b+1)
D'où :
0+1x+1dx=limb+0b1x+1dx=+\int_{0}^{+\infty} \dfrac{1}{x+1} \, dx = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{x+1} \, dx = + \infty
Donc l'intégrale impropre associée à la série des valeurs absolues diverge. De ce fait la série des valeurs absolues diverge et la série étudiée Ha\mathcal{H}_a n'est pas absolument convergente. Dès lors, on peut automatiquement affirmer que la série numérique harmonique alternée Ha\mathcal{H}_a est de nature semi-convergente convergente.
Question 3

Calculer la valeur numérique de Ha\mathcal{H}_a.

Correction
On a :
Ha=n=0+(1)nn+1=Ha=n=0+(1)n×1n+1\mathcal{H}_a = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{(-1)^n}{n + 1} = \mathcal{H}_a = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \times \dfrac{1}{n+1}
Mais, on sait que :
1n+1=01xndxHa=n=0+(1)n×01xndx\dfrac{1}{n+1} = \int_{0}^{1} x^n \, dx \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{H}_a = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n \times \int_{0}^{1} x^n \, dx
Ainsi :
Ha=n=0+01(1)nxndx=limb+n=0b01(1)nxndx=limb+n=0b01(x)ndx\mathcal{H}_a = \sum_{n=0}^{+\infty} \int_{0}^{1} (-1)^n x^n \, dx = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \sum_{n=0}^{b} \int_{0}^{1} (-1)^n x^n \, dx = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \sum_{n=0}^{b} \int_{0}^{1} (-x)^n \, dx
Par permutation de la somme discrète n=0b\displaystyle{\sum_{n=0}^{b}} avec la somme continue 01\displaystyle{\int_{0}^{1}} (car il n'y a pas de dépendance à un paramètre quelconque), on obtient :
Ha=limb+01(n=0b(x)n)dx\mathcal{H}_a = \lim_{b \longrightarrow + \infty}\int_{0}^{1} \left( \sum_{n=0}^{b} (-x)^n \right) \, dx
Or, d'après la série géométrique, on a :
n=0b(x)n=1×1(x)b+11(x)=1(x)b+11+x\sum_{n=0}^{b} (-x)^n = 1\times \dfrac{1-(-x)^{b+1}}{1-(-x)} = \dfrac{1-(-x)^{b+1}}{1+x}
Ce qui implique que :
Ha=limb+011(x)b+11+xdx\mathcal{H}_a = \lim_{b \longrightarrow + \infty}\int_{0}^{1} \dfrac{1-(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx
Ce qui va encore s'écrire comme :
Ha=0111+xdx+limb+01(x)b+11+xdx=0111+xdxlimb+01(x)b+11+xdx\mathcal{H}_a = \int_{0}^{1} \dfrac{1}{1+x} \, dx + \lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{1} - \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx = \int_{0}^{1} \dfrac{1}{1+x} \, dx - \lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx
Mais, on sait que :
0111+xdx=ln(2)Ha=ln(2)limb+01(x)b+11+xdx\int_{0}^{1} \dfrac{1}{1+x} \, dx = \ln (2) \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{H}_a = \ln (2) - \lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx
Or, x[0;1]\forall x \in [0\,;\,1], on a :
1+x111+x1xb+11+xxb+1(x)b+11+xxb+11 + x \geqslant 1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{1}{1+x} \leqslant 1\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{x^{b+1}}{1+x} \leqslant x^{b+1} \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \left| \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \right| \leqslant x^{b+1}
En intégrant, on trouve que :
01(x)b+11+xdx01xb+1dx01(x)b+11+xdx1b+2\int_{0}^{1} \left| \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \right| \, dx \leqslant \int_{0}^{1} x^{b+1} \, dx \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \int_{0}^{1} \left| \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \right| \, dx \leqslant \dfrac{1}{b+2}
Or, on sait que pour toute application f((α;β)R2)f \,\,\left((\alpha\,;\,\beta)\in \mathbb{R}^2 \right), on a :
αβfαβf01(x)b+11+xdx01(x)b+11+xdx\left| \int_{\alpha}^{\beta} f \right| \leqslant \int_{\alpha}^{\beta} \left| f \right| \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \left| \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx \right| \leqslant \int_{0}^{1} \left| \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \right| \, dx
De ce fait, on a donc :
01(x)b+11+xdx1b+2\left| \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx \right| \leqslant \dfrac{1}{b+2}
Par passage à la limite, on a alors :
limb+01(x)b+11+xdxlimb+1b+2limb+01(x)b+11+xdx0\lim_{b \longrightarrow + \infty} \left| \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx \right| \leqslant \lim_{b \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{b+2} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left| \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx \right| \leqslant 0
De ce fait, par le théorème de l'encadrement, on en déduit directement que :
limb+01(x)b+11+xdx=0\lim_{b \longrightarrow + \infty} \int_{0}^{1} \dfrac{(-x)^{b+1}}{1+x} \, dx = 0
Finalement, on peut écrire que :
Ha=ln(2)\mathcal{H}_a = \ln (2)