Soit n un nombre entier naturel non nul et soit a∈/2πZ. On désigne par i le nombre complexe qui satisfait à i2=−1.
Étudier la nature de la série S=n=1∑+∞neina.
Correction
Pour n un nombre entier naturel non nul, on pose an=n1 et bn=eina. On constate que la suite réelle (an)n∈N⋆ est positive, décroissante et à pour limite 0+. Puis la suite (bn)n∈N⋆ à pour somme partielle Sn=k=1∑neika=k=1∑n(eia)k On reconnait alors une sommation des termes d'une suite géométrique. On a alors : Sn=k=1∑neika=k=1∑n(eia)k=eia1−eia1−(eia)n Et comme a∈/2πZ alors eika=1. Ainsi : ∣Sn∣=∣∣eia1−eia1−(eia)n∣∣=∣∣eia∣∣×∣∣1−eia1−(eia)n∣∣=∣∣1−eia1−(eia)n∣∣=∣∣1−eia1−eina∣∣ En imaginant faire appel aux formule d'Euler, on obtient : ∣Sn∣=∣∣1−eia1−eina×1∣∣=∣∣1−eia1−eina×1−e−ia1−e−ia∣∣=∣∣(1−eia)×(1−e−ia)(1−eina)×(1−e−ia)∣∣=∣∣1−e−ia−eia+eiae−ia(1−eina)×(1+eia)∣∣ Ce qui nous donne : ∣Sn∣=∣∣1−e−ia−eia+eia−ia(1−eina)×(1+eia)∣∣=∣∣1−e−ia−eia+e0(1−eina)×(1+eia)∣∣=∣∣1−e−ia−eia+1(1−eina)×(1+eia)∣∣ Ce qui nous permet d'écrire que : ∣Sn∣=∣∣2−2×2e−ia+eia(1−eina)×(1+eia)∣∣=∣∣2−2cos(a)(1−eina)×(1+eia)∣∣=2(1−cos(a))∣∣1−eina∣∣×∣∣1+eia∣∣ De plus, on a immédiatement la majoration suivante : ∣∣1−eina∣∣×∣∣1+eia∣∣⩽2×2 Donc, il est possible d'écrire la majoration suivante : ∣Sn∣⩽2×(1−cos(a))2×2 Soit : ∣Sn∣⩽1−cos(a)2 Ainsi, on a immédiatement : 0⩽∣Sn∣⩽1−cos(a)2 La suite des sommes partielles de la suite (bn)n∈N⋆ est donc bornée. Les hypothèses du théorème d'Abel sont donc satisfaites. En conséquence la série de terme général an×bn est de nature convergente. Finalement, la série S=n=1∑+∞neina est de nature convergente.
Question 2
Étudier la nature de la série S=n=1∑+∞ncos(na).
Correction
On a : S=n=1∑+∞ncos(na)=n=1∑+∞ℜeˊ(neina) Comme le série n=1∑+∞neina est de nature convergente, alors sa partie réelle est également convergente. Finalement, la série S=n=1∑+∞ncos(na) est de nature convergente.
Question 3
Étudier la nature de la série S=n=1∑+∞nsin(na).
Correction
On a : S=n=1∑+∞nsin(na)=n=1∑+∞ℑm(neina) Comme le série n=1∑+∞neina est de nature convergente, alors sa partie imaginaire est également convergente. Finalement, la série S=n=1∑+∞nsin(na) est de nature convergente.