Soit n∈N. On note par Ha la série suivante : Ha=n=0∑+∞n+1(−1)n
Démontrer que Ha converge.
Correction
Appliquons à la série Ha le théorème des séries alternées. On a : ⧫Premieˋre eˊtape : On a ∀n∈N : n+2>n+1⟺n+21<n+11⟺(n+1)+11<n+11 Soit encore : ∣∣(n+1)+1(−1)n+1∣∣<∣∣n+1(−1)n∣∣ Donc : ∣un+1∣<∣un∣ ⧫⧫Seconde eˊtape : On a : n⟶+∞lim∣un∣=n⟶+∞limn+11=0 En conclusion, la théorème de convergence des séries alternées nous permet d'affirmer que la série numérique Ha converge.
Question 2
Démontrer que Ha est semi-convergente. Cele signifie que cette série numérique est convergente mais pas absolument convergente.
Correction
Pour démontrer que Ha est semi-convergente, démontrons que la série numérique Ha n'est pas absolument convergente. On a : n=0∑+∞∣∣n+1(−1)n∣∣=n=0∑+∞n+11 Utilisons maintenant la comparaison avec l'intégrale impropre associée. On a alors : ∫0+∞x+11dx=b⟶+∞lim∫0bx+11dx Ainsi : ∫0+∞x+11dx=b⟶+∞lim[ln(x+1)]0b=b⟶+∞limln(b+1)−ln1=b⟶+∞limln(b+1) D'où : ∫0+∞x+11dx=b⟶+∞lim∫0bx+11dx=+∞ 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 n'est pas absolument convergente. Dès lors, on peut automatiquement affirmer que la série numérique harmonique alternée Ha est de nature semi-convergente convergente.
Question 3
Calculer la valeur numérique de Ha.
Correction
On a : Ha=n=0∑+∞n+1(−1)n=Ha=n=0∑+∞(−1)n×n+11 Mais, on sait que : n+11=∫01xndx⟹Ha=n=0∑+∞(−1)n×∫01xndx Ainsi : Ha=n=0∑+∞∫01(−1)nxndx=b⟶+∞limn=0∑b∫01(−1)nxndx=b⟶+∞limn=0∑b∫01(−x)ndx Par permutation de la somme discrète n=0∑b avec la somme continue ∫01 (car il n'y a pas de dépendance à un paramètre quelconque), on obtient : Ha=b⟶+∞lim∫01(n=0∑b(−x)n)dx Or, d'après la série géométrique, on a : n=0∑b(−x)n=1×1−(−x)1−(−x)b+1=1+x1−(−x)b+1 Ce qui implique que : Ha=b⟶+∞lim∫011+x1−(−x)b+1dx Ce qui va encore s'écrire comme : Ha=∫011+x1dx+b⟶+∞lim∫01−1+x(−x)b+1dx=∫011+x1dx−b⟶+∞lim∫011+x(−x)b+1dx Mais, on sait que : ∫011+x1dx=ln(2)⟹Ha=ln(2)−b⟶+∞lim∫011+x(−x)b+1dx Or, ∀x∈[0;1], on a : 1+x⩾1⟺1+x1⩽1⟺1+xxb+1⩽xb+1⟹∣∣1+x(−x)b+1∣∣⩽xb+1 En intégrant, on trouve que : ∫01∣∣1+x(−x)b+1∣∣dx⩽∫01xb+1dx⟺∫01∣∣1+x(−x)b+1∣∣dx⩽b+21 Or, on sait que pour toute application f((α;β)∈R2), on a : ∣∣∫αβf∣∣⩽∫αβ∣f∣⟹∣∣∫011+x(−x)b+1dx∣∣⩽∫01∣∣1+x(−x)b+1∣∣dx De ce fait, on a donc : ∣∣∫011+x(−x)b+1dx∣∣⩽b+21 Par passage à la limite, on a alors : b⟶+∞lim∣∣∫011+x(−x)b+1dx∣∣⩽b⟶+∞limb+21⟺b⟶+∞lim∣∣∫011+x(−x)b+1dx∣∣⩽0 De ce fait, par le théorème de l'encadrement, on en déduit directement que : b⟶+∞lim∫011+x(−x)b+1dx=0 Finalement, on peut écrire que : Ha=ln(2)