Séries, familles sommables — Centrale-Supélec

Exercices corrigés de Centrale-Supélec sur le thème « séries, familles sommables », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★★) nombres premiers ; décomposition en facteurs premiers ; comparaison série-intégrale
On note {\mathcal P_n} l’ensemble des nombres premiers au plus égaux à {n}, et {v_p(m)} la valuation {p}-adique de {m}.
1) Programmer un crible donnant les indicatrices de primalité de {0} à {n}.

Tracer {S(n)=\sum\limits_{p\in\mathcal P_n}(\ln p)/p} ainsi que {\ln n-\ln4-1} et {\ln n+\ln4} ; conjecturer un encadrement.

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2) Montrer successivement, pour {k\geq0}, {\#\left\{m\leq n:v_p(m)=k\right\} =\left\lfloor\frac n{p^k}\right\rfloor -\left\lfloor\frac n{p^{k+1}}\right\rfloor,}{v_p(n!)=\sum_{k\geq1}\left\lfloor\frac n{p^k}\right\rfloor, \qquad \frac np-1\leq v_p(n!)\leq\frac n{p-1}.}En déduire un encadrement de {\ln(n!)}.
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3) Calculer {\sum\limits_{k\geq1}k/2^k} et montrer la convergence de {\sum\limits_{p\text{ premier}}\ln p/[p(p+1)]}.

Montrer que {\ln(n!)=n\ln n-n+1+\theta_n\ln n}, {0\leq\theta_n\leq1}.

Établir {\prod\limits_{n\lt p\leq2n}p\leq4^n} et conclure sur la conjecture.

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Exercice 2. (★★★★) séries géométriques ; suites récurrentes ; rationalité
Pour {0\lt x\lt 1}, définir {p_1=x}, {q_n=\lfloor1/p_n\rfloor+1}, {p_{n+1}=p_nq_n-1}.

Justifier la définition, montrer que {q_n} croît et {q_n\geq2}, puis {x=\sum\limits_{n\geq1}1/(q_1\cdots q_n)}.

Montrer l’unicité d’une telle suite croissante d’entiers au moins {2}.

Montrer que {x} est rationnel exactement lorsque {q_n} est stationnaire.

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Exercice 3. (★★★) comparaison ; séries alternées ; sommation par paquets
Noter {u_n} le nombre de chiffres {1} de l’écriture binaire de {n}.

Calculer {u_{13},u_{31},u_{32}} et programmer {u_n}.

Tracer les cent premières sommes partielles de {\sum\limits u_n/[n(n+1)]}.

Montrer {u_n\leq1+\log_2n} et la convergence de cette série.

Exprimer {u_{2n},u_{2n+1}} en fonction de {u_n} et prouver {S=S/2+\sum\limits_{n\geq1}(-1)^{n-1}/n}, puis {S=2\ln2}.

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Exercice 4. (★★★) sommabilité ; sommation par paquets ; théorème de Fubini
Pour {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}, montrer que {F(x)=\sum\limits_{n,m\geq1}1/[nm(n+m+x)]} existe pour {x>-2}, et que {F(x)=\sum\limits_{k\geq1}2H_k/[(k+1)(k+1+x)]}.

Calculer {F(1)}.

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Exercice 5. (★★★) rayon de convergence ; convergence absolue ; comparaison
Soit {\sum\limits a_nz^n} de rayon {R}, éventuellement infini.

Étudier {\sum\limits a_nz^n/(1-z^n)} pour {|z|\ne1}, selon {|z|}, {R} et la nature de {\sum\limits a_n}.

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Exercice 6. (★★★) convergence uniforme ; convergence dominée ; sommabilité
Pour {x\geq0}, poser {f_n(x)=n^{-1}(1-x/n)\mathbf1_{[0,n]}(x)}.

Montrer sa convergence uniforme et comparer les intégrales des {f_n} et de leur limite.

Démontrer la convergence dominée lorsque la convergence est uniforme sur tout segment de l’intervalle d’intégration.

Enfin, pour {f_n:\mathbb{N}\to\mathbb{C}} convergeant ponctuellement vers {f} et dominées par une famille sommable {\varphi}, prouver la sommabilité de chaque famille et la convergence de leurs sommes.

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Exercice 7. (★★★★) sommation par parties ; sommation des relations de comparaison ; équivalents
Soient {a_n\geq0}, {b_n\in\mathbb{C}}, avec {\sum\limits a_n} divergente et {b_n\sim a_n}. Posons {S_n=\sum\limits_{k=0}^na_k}.
1) Montrer que {\sum\limits b_n} diverge et que ses sommes partielles sont équivalentes à {S_n}.
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2) Si {S_n/(na_n)\to\lambda>0}, déterminer la limite de {\frac1{n^2a_n}\sum\limits_{k=0}^nka_k}.
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Exercice 8. (★★) continuité ; densité ; sommes télescopiques
Soit {I=]-1,+\infty[}. Une fonction continue {f} vérifie {(*)} si {f(x)+f(y)=f(x+y+xy)} pour {x,y\in I}. Posons {x_n=1/((n+2)(2n+1))} et {y_n=n/(n+1)}.
1) Simplifier {x_n+y_n+x_ny_n}, puis montrer que {\sum\limits f(x_n)} converge et exprimer sa somme en fonction de {f(1)}.
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2) Montrer que {f} est dérivable.
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3) Déterminer toutes les fonctions continues vérifiant {(*)}.
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Exercice 9. (★★) convergence simple ; sommation par parties ; convergence absolue
Soient {(a_n)} réelle à sommes partielles bornées, {(b_n)} réelle décroissante de limite nulle, et {f_n(x)=\sin(nx)}.
1) Montrer qu’une série absolument convergente converge.
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2) Montrer que {\sum\limits a_nb_n} converge.
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3) Montrer que {\sum\limits b_nf_n} converge simplement.
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Exercice 10. (★★★★) comparaison série-intégrale ; sommes de Riemann ; équivalents
Soit {f\in C^1(\mathbb{R}_+,\mathbb{R}_+^\star)} croissante, telle que {f'(t)/f(t)\sim a/t}, {a>0}.
1) Rappeler l’intégration des comparaisons et trouver un équivalent de {\ln f(t)} à l’infini.
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2) Déterminer le domaine de {u(x)=\sum\limits_{n\geq0}f(n)e^{-nx}} et ses limites aux bornes.
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3) Montrer que {u(x)\sim Cx^{-1}f(1/x)} en zéro positif et déterminer {C}.
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Exercice 11. (★★) convergence dominée ; convergence uniforme ; Intégration sur un intervalle quelconque
1) Définir la continuité par morceaux. Pour {n\geq1}, poser {f_n(x)=n^{-1}(1-x/n)} sur {[0,n]}, et zéro ailleurs sur {\mathbb{R}_+}.

Montrer la convergence simple vers {f} et la non-convergence des intégrales vers {\int f}.

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2) Rappeler la convergence dominée ; la démontrer sous l’hypothèse supplémentaire de convergence uniforme sur chaque segment.
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3) Si {f_n(k)\to f(k)} pour tout {k\in\mathbb{N}} et {|f_n(k)|\leq\varphi(k)}, avec {\varphi\geq0} sommable, montrer la sommabilité et {\sum\limits_kf_n(k)\to\sum\limits_kf(k)}.
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Exercice 12. (★★★) intégration terme à terme ; intégrales impropres ; sommation par paquets
On note {\left\{a\right\}=a-\lfloor a\rfloor}.
1) Pour {n\geq1}, montrer que {f_n(x)=\left\{1/x\right\}^n} est continue par morceaux sur {\mathbb{R}_+^\star} et que {I_n=\int_0^1f_n(x)dx} converge.
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2) Montrer que la famille {\left(\frac{(-1)^ii}{(i+1)k^{i+1}}\right)_{i\geq1,k\geq2}} est sommable et exprimer sa somme {S} avec {\zeta}.
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3) Exprimer {I_1} en fonction de {S}.
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Exercice 13. (★★★) Séries entières ; produit de Cauchy ; permutations
Soit {d_n} le nombre de dérangements de {n} objets.
1) Montrer {\sum\limits_{k=0}^n\binom nkd_{n-k}=n!}.

Montrer que {D(t)=\sum\limits(d_n/n!)t^n} a rayon au moins un ; calculer {e^tD(t)}, puis {d_n} et la limite de la probabilité qu’une permutation soit un dérangement.

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2) Soit {s_n(p)} le nombre de surjections de {\left\{1,\ldots,n\right\}} vers {\left\{1,\ldots,p\right\}}.

Montrer {p^n=\sum\limits_{k=0}^n\binom pk s_n(k)}.

Montrer que la famille {s_n(p)x^py^n/(p!n!)} est sommable pour tous {x,y\in\mathbb{R}}.

Si {S(x,y)} est sa somme, calculer {e^xS(x,y)}, puis {s_n(p)}.

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Exercice 14. (★★) série harmonique ; sommation par blocs ; développements asymptotiques
Soit {(\omega_k)} complexe {d}-périodique et {S_n(\lambda)=\sum\limits_{k=1}^n(\lambda+\omega_k)/k}.
a) Montrer qu’une série convergente a son terme tendant vers {0}.

La réciproque est-elle vraie ?

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b) Montrer qu’au plus un {\lambda} donne une suite convergente.
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c) Développer {S_{(m+1)d}(0)-S_{md}(0)} sous la forme {\Omega/(md)+\alpha/m^2+o(m^{-2})}, puis donner la condition nécessaire et suffisante de convergence de {S_n(\lambda)}.
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Exercice 15. (★★★) développement logarithmique ; comparaison aux séries de Riemann ; équivalents
Soit {u_n>0} avec {u_{n+1}/u_n=1-\alpha/n+v_n} et {\sum\limits|v_n|\lt \infty}.
a) Pour {a_n=\log(n^\alpha u_n)}, étudier {\sum\limits(a_{n+1}-a_n)} et montrer {u_n\sim K/n^\alpha}, {K>0}. Application : pour {u_n=n^{-n}n!e^n}, montrer {u_n\sim K\sqrt n}.
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b) Si seulement {u_{n+1}/u_n=1-\alpha/n+o(1/n)}, montrer que {\sum\limits u_n} converge pour {\alpha>1} et diverge pour {\alpha\lt 1}.
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Exercice 16. (★★★) développement de l’arctangente ; reste alterné ; majoration intégrale
a) Retrouver la série de l’arctangente et montrer {\sum\limits_{k\ge0}(-1)^k/(2k+1)=\pi/4}.
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b) Pour {S_n=4\sum\limits_{k=0}^n(-1)^k/(2k+1)}, montrer {|\pi-S_n+(-1)^n(1/n-1/n^2)|\le1/n^3\quad(n\ge1).}
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Exercice 17. (★★) sommation des relations de comparaison ; comparaison somme-intégrale ; factorisation en nombres premiers
1) Énoncer les théorèmes de sommation des relations de comparaison pour les séries numériques.
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2) Montrer que {\sum\limits_{k=1}^n\ln k=n\ln n-n+O(\ln n)}.
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3) Pour {(a_k)_{k\geq2}} et {b\in C^1([2,+\infty[)}, posons {A(t)=\sum\limits_{k=2}^{\lfloor t\rfloor}a_k}.

Montrer que {\sum\limits_{k=2}^na_kb(k)=A(n)b(n)-\int_2^nb'(t)A(t)dt}.

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4) Pour {R(t)=\sum\limits_{p\leq t,\ p\text{ premier}}\ln p/p-\ln t}, montrer que {\sum_{p\leq n}\frac1p=1+\ln\ln n-\ln\ln2+ \frac{R(n)}{\ln n}+\int_2^n\frac{R(t)}{t(\ln t)^2}dt.}
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5) Montrer qu’il existe {C} tel que {\sum\limits_{p\leq n}1/p=\ln\ln n+C+O(1/\ln n)}.
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Exercice 18. (★★★) convergence dominée pour les séries ; convergence absolue ; sommation par paquets
Pour {f:\mathbb{N}^\star\to\mathbb{R}}, on définit {L_f(s)=\sum\limits_{n\geq1}f(n)/n^s} lorsqu’elle converge absolument, et {A(f)=\inf\left\{s:L_f(s)\text{ est défini}\right\}}, avec {\inf\varnothing=+\infty}.
1) Définir une borne inférieure.
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2) Montrer que {s>A(f)} assure la définition de {L_f(s)}.
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3) Pour {f,g} complexes d’abscisses finies, montrer que l’égalité des {L_f,L_g} pour tous {s>\max(A(f),A(g))} impose {f=g}.
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4) Pour {h(n)=\sum\limits_{d\mid n}f(d)g(n/d)}, montrer {L_h(s)=L_f(s)L_g(s)} pour ces {s}.
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Exercice 19. (★★★★) convergence dominée pour les séries ; formule de Moivre ; factorisation
1) Caractériser la convexité d’une fonction dérivable sur un intervalle.
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2) Montrer qu’il existe un unique {P_n\in\mathbb{R}[X]} tel que {\sin((2n+1)\theta)=\sin\theta\,P_n(\sin^2\theta)}.
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3) En déduire {\sin(\pi x)=(2n+1)\sin\frac{\pi x}{2n+1} \prod_{k=1}^n\left(1-\frac{\sin^2(\pi x/(2n+1))}{\sin^2(k\pi/(2n+1))}\right).}
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4) Étudier la limite simple de {u_n(x)=\prod\limits_{k=1}^n(1-x^2/k^2)}.
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Exercice 20. (★★★) comparaison somme-intégrale ; inégalité de Markov ; indépendance
Soient {(X_n)} i.i.d. uniformes sur {\left\{-1,1\right\}} et {S_n=\sum\limits_{k=1}^nX_k}.
1) Montrer la convergence de {\sum\limits1/(n\ln^4n)} par comparaison intégrale.
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2) (i) Montrer {\mathbb{P}(|S_n|\geq a)\leq3n^2/a^4} pour {a>0}.

(ii) Montrer que l’événement où {|S_m|\lt m^{3/4}\ln m} à partir d’un certain rang a probabilité un.

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3) Montrer que {S_n/(n^{3/4}\ln n)\to0} presque sûrement.
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PSI


Exercice 1. (★★) Produit scalaire ; Séries de Riemann ; Orthogonalité
Soit {E} l’ensemble des suites réelles {u=(u_n)_{n\geq0}} telles que {\sum\limits u_n^2} converge. Pour {u,v\in E}, on pose {\langle u,v\rangle=\sum\limits_{n\geq0}u_nv_n}.
1) Montrer que cette application est un produit scalaire sur {E}.
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2) Si {u\in E} ne s’annule pas, montrer que {(1/u_n)\notin E}.
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3) Pour quels réels {\alpha} la suite {(1/n^\alpha)_{n\geq1}} appartient-elle à {E}?
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4) Montrer que l’ensemble {F} des suites nulles à partir d’un certain rang est un sous-espace de {E} de dimension infinie.
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5) Que dire de {F+F^\perp} et de {(F^\perp)^\perp}?
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Exercice 2. (★★) Rayon de convergence ; Séries alternées ; Suites récurrentes
Soient {a>0}, {u_0=a} et {u_{n+1}=\ln(1+u_n)}.
1) Étudier la convergence de {(u_n)}.
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2) Déterminer le rayon {R} de {\sum\limits u_nx^n}.
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3) Démontrer le théorème de Cesàro.
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4) En utilisant {1/u_{n+1}-1/u_n}, étudier la série en {\pm R}.
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Exercice 3. (★★★) Intégration par parties ; Convergence absolue ; Suites extraites
Soient {s\in\mathbb{C}}, {N\in\mathbb{N}}, {S_N(s)=\sum\limits_{n=1}^Nn^{-s}} et {\left\{t\right\}=t-\lfloor t\rfloor}.
1) Montrer que, pour {N\geq1}, {S_N(s)=1+\int_1^Nt^{-s}\,dt -s\int_1^N\frac{\left\{t\right\}}{t^s}\,dt.}
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2) Pour {y\in\mathbb{R}^\star}, montrer qu’il existe {z_0(y)} tel que {S_N(1+iy)+\frac1{iyN^{iy}}\longrightarrow z_0(y).}
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3) Si une sous-suite {S_{u_N}(1+iy)} converge vers {\ell}, montrer que {|z_0(y)-\ell|=1/|y|}.
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Exercice 4. (★★) Séries à termes positifs ; Développements asymptotiques ; Équivalents
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}_+^\star} admettant, pour tout {k\geq0}, {f(x)=a_0+a_1/x+\cdots+a_k/x^k+o(x^{-k})} à l’infini.

Donner les conditions nécessaires et suffisantes de convergence de {\sum\limits f(n)}, de {p_n=\prod\limits_{k=0}^nf(k)} et de {\sum\limits p_n}.

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Exercice 5. (★★★) Séries à termes positifs ; Développements limités ; Équivalents
Étudier la série de terme général {z_n=\sqrt{(n-1)!}\prod\limits_{k=1}^{n-1}\sin(1/\sqrt k)}.
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Exercice 6. (★★★) Rayon de convergence ; Convergence dominée ; Séries alternées
Pour {n\geq0}, soit {a_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n t\,dt}.

Déterminer sa limite et une relation entre {a_{n+2}} et {a_n}.

Pour {\alpha\in\mathbb{R}}, étudier {\sum\limits_{n\geq1}(a_n/n^\alpha)x^n}.

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Exercice 7. (★★) Comparaison série-intégrale ; Convergence normale ; Rayon de convergence
Pour {x>1}, soit {\zeta(x)=\sum\limits_{n\geq1}n^{-x}}.

Étudier ses variations, montrer {1/(x-1)\leq\zeta(x)\leq1+1/(x-1)} et donner sa limite à l’infini.

Étudier la série entière {\sum\limits_{n\geq2}(\zeta(n)/n)x^n}.

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Exercice 8. (★★) séries alternées ; formule de Stirling ; sommes partielles
a) Justifier la convergence de {\sum\limits_{n\ge1}(-1)^n\log(1+1/n)}.
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b) Exprimer sa somme partielle au rang {2N} avec des factorielles.
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c) Calculer la somme de la série.
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Exercice 9. (★) convergence absolue ; majoration du reste ; séries alternées
Pour {n\ge0}, poser {u_n=\sum\limits_{k=n+1}^{\infty}(-1)^{k+1}/\sqrt k}.
a) Montrer que la suite est définie et tend vers {0}.
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b) Montrer que {\sum\limits_{n\ge1}((-1)^n/n)u_n} converge.
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Exercice 10. (★★) convergence absolue ; sommes télescopiques ; suites monotones
Soit {u_n\ne-1} et {v_n=u_n/((1+u_0)\cdots(1+u_n))}.
a) Montrer {\sum\limits_{k=0}^nv_k=1-1/\prod\limits_{k=0}^n(1+u_k)}.
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b) Montrer la convergence de {\sum\limits v_n} si tous les {u_n\ge0}.
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c) Même conclusion si {\sum\limits|u_n|\lt \infty}.
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Exercice 11. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; rayon de convergence ; comparaison série-intégrale
a) Pour {\alpha>0}, étudier {\sum\limits_{n\ge2}1/(n\log n)} et {\sum\limits_{n>n_0}1/(n(\log n)^{1-\alpha})}. Soit {\Phi} réelle continue décroissante sur {[n_0,\infty[}, telle que {\sum\limits\Phi(n)} diverge.
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b) Donner le rayon de {\sum\limits_{n\ge n_0}\Phi(n)x^n}.
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c) Montrer que cette somme tend vers {+\infty} en {1^-} et est équivalente à {\int_{n_0}^\infty\Phi(t)x^tdt}.
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Exercice 12. (★★) Intégration sur un segment ; équivalents ; comparaison des séries
Pour {f\in C^0([0,1])}, poser {u_n=\int_0^1f(x)x^ndx}.
a) Si {f(1)>0}, trouver {c>0}, {0\lt a\lt 1} tels que {f\ge c} sur {[a,1]}.
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b) Si {\sum\limits u_n} converge, montrer {f(1)=0}.
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c) Pour {f\in C^1}, montrer que cette condition est aussi suffisante.
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Exercice 13. (★★) rayon de convergence ; convergence dominée ; séries alternées
Pour {n\ge0}, poser {I_n=\int_0^1e^{-1/t}t^ndt}.
a) Justifier l’existence, donner le signe et étudier les variations.
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b) Déterminer la limite.
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c) Montrer {(n+1)I_n+I_{n-1}=e^{-1}}.
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d) Montrer {I_n\sim1/(en)}.
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e) Étudier {\sum\limits I_n} et {\sum\limits(-1)^nI_n}.
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f) Donner le rayon de {\sum\limits I_nx^n}.
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Exercice 14. (★★) valeurs propres ; série exponentielle ; puissances de matrices
Soit {T=\begin{pmatrix}x&y\\[4pt]0&z\end{pmatrix}} réelle.
1) Donner {T^n} pour {n\in\mathbb{N}}.
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2) Étudier la convergence de {E_n(T)=\sum\limits_{k=0}^nT^k/k!}, calculer sa limite {E(T)} et comparer les valeurs propres de {T,E(T)}.
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Exercice 15. (★★★) intégration par parties ; séries alternées ; développements asymptotiques
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {a_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n(t)\,dt}.
1) Trouver une relation entre {a_{n+1}} et {a_{n-1}}.
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2) Montrer de deux manières différentes que {(a_n)} converge.
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3) Montrer que {a_n=1/(2n)+O(1/n^2)}. Pour {\alpha,x\in\mathbb{R}}, discuter la nature de la série de terme général {u_n=a_nx^n/n^\alpha}, {n\geq1}.
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Exercice 16. (★★★) Suites numériques ; comparaison de séries ; développements asymptotiques
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}} continue, admettant, pour tout {k\in\mathbb{N}}, le développement asymptotique {f(x)=a_0+\frac{a_1}{x}+\cdots+\frac{a_k}{x^k}+o(x^{-k})\quad(x\to+\infty).}
1) Donner une condition nécessaire et suffisante de convergence de {\sum\limits f(n)}.
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2) On suppose {f(n)\ne0} pour {n\geq1}.

À quelle condition la suite {p_n=\prod\limits_{k=1}^nf(k)} converge-t-elle ?

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3) Pour {\alpha\in\mathbb{R}}, à quelle condition la suite {g_n=\prod\limits_{k=1}^n(1-e^{-\alpha/k})} converge-t-elle ?
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Exercice 17. (★★★) développement binomial ; Séries entières ; produit de Cauchy
1) Soit {(a_n)} une suite strictement positive telle que {a_{n+1}/a_n=1-\alpha/n+o(1/n)} avec {\alpha>1}.

Montrer que {\sum\limits a_n} converge. Indication : pour {\beta\in]1,\alpha[}, montrer que {(n^\beta a_n)} est décroissante à partir d’un certain rang.

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2) Déterminer le développement en série entière de {\sqrt{1-x}}.

Montrer qu’il converge en {x=\pm1}.

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3) Soit {u_0=1} et {u_{n+1}=\sum\limits_{k=0}^nu_ku_{n-k}}. On pose {S(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}u_nx^n} pour {x\in]-R,R[}.

Déterminer {S} et en déduire une expression de {u_n}.

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PC


Exercice 1. (★★) Racines de l'unité ; Convergence absolue ; Diagonalisation
(Python) Soit {P_1} l’ensemble des racines de l’unité et {P_n=\left\{A\in M_n(\mathbb{C}):A^p=I_n\text{ pour un }p\geq1\right\}}.
a) Montrer que chaque {A\in P_n} est inversible.
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b) Montrer que {P_2\cap M_2(\mathbb{R})} est infini.
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c) Si {A\in P_n\cap M_n(\mathbb{R})} est diagonalisable, montrer que {A^2=I}.
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d) Poser {f_p(z)=\prod\limits_{k=1}^pz(1-z^k)}.

Montrer que {\sum\limits f_p(z)} converge pour {|z|\lt 1}, puis pour {z\in P_1}.

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e) Avec {F_0(A)=I} et {F_p(A)=\prod\limits_{k=1}^p A(I-A^k)}, montrer que {\sum\limits F_p(A)} converge pour {A\in P_n}.
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f) Montrer que chaque matrice de {P_2} est diagonalisable sur {\mathbb{C}}.
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g) Programmer {F_p(A)}.
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Exercice 2. (★★) Suites adjacentes ; Partie entière ; Sommes télescopiques
(Python) Soit {T} l’ensemble des suites à valeurs dans {[0,2]}, et {\sigma(u)=\sum\limits_{n=1}^\infty u_n/3^n}.
a) Montrer que {\sigma} est définie.
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b) Montrer sa non-injectivité avec {u_1=1}, {u_n=0} pour {n\geq2}, et {v_1=0}, {v_n=2} pour {n\geq2}.
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c) Pour {0\leq x\lt 1}, poser {t_n(x)=\lfloor3^nx\rfloor-3\lfloor3^{n-1}x\rfloor}.

Montrer que {t(x)\in T}.

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d) Programmer dev(x,N), somme des {N} premiers termes ; tracer pour {N=100}.
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e) Montrer que {x_n=\lfloor3^nx\rfloor/3^n} et {y_n=x_n+3^{-n}} sont adjacentes, et démontrer la conjecture graphique.
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Exercice 3. (★★★) Convergence absolue ; Convergence ; Sommes géométriques
Soit {|z|=1}, {z\ne1}, et {S_n=\sum\limits_{k=1}^nz^k}.
a) Montrer que {(S_n)} est bornée.
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b) Étudier {\sum\limits z^n/n^s} pour {0\lt s\lt 1}.
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Exercice 4. (★★★) Séries à termes positifs ; Équivalents ; Développements limités
Soit {u_0>0} et {u_{n+1}/u_n=(n+a)(n+b)/((n+c)(n+d))}, où {a,b,c,d>0}.
a) Trouver {\alpha} tel que {\ln(n^\alpha u_n)} converge.
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b) Donner un équivalent de {u_n}.
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c) Donner la condition de convergence de {\sum\limits u_n}.
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Exercice 5. (★★★★) Équivalents des restes ; Comparaison série-intégrale ; Développements asymptotiques
a) Pour {\alpha>1}, donner un équivalent de {\sum\limits_{p>n}p^{-\alpha}}.
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b) Si {u_n\sim v_n}, avec {u_n>0} et {\sum\limits u_n} convergente, montrer l’équivalence des restes {\sum\limits_{p>n}u_p} et {\sum\limits_{p>n}v_p}.
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c) Pour {U_n=\sum\limits_{p=1}^np^{-1/2}}, montrer qu’il existe {a,b\in\mathbb{R}} tels que {U_n=2\sqrt n+a+b/\sqrt n-1/(24n^{3/2})+o(n^{-3/2})}.
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Exercice 6. (★★★) Convergence absolue ; Séries de Riemann ; Séries alternées
Pour {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}}, noter {\sigma_c,\sigma_a} les infimums des réels {s} pour lesquels {\sum\limits_{n\geq1}f(n)n^{-s}} converge, respectivement converge absolument.
a) Les calculer pour {f(n)=2^{-n}}, puis {f(n)=(-1)^nn^{-s_0}}.
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b) Montrer la convergence absolue pour {s>\sigma_a}. Peut-on conclure en {s=\sigma_a} ?
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c) Montrer que {\sigma_c\leq\sigma_a\leq\sigma_c+1} et que les bornes sont optimales.
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Exercice 7. (★★) Convergence normale ; Comparaison série-intégrale ; Dérivation terme à terme
(Python) Pour {a>0}, poser {S(a)=\sum\limits_{n\geq1}a/(n^2+a^2)}.
a) Étudier convergence et domaine.
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b) Montrer que le reste après {n} est au plus {a/n}.
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c), d) c) Programmer {S(1),S(5)} à {10^{-3}} près.

d) Tracer sur {[1,50]} et conjecturer la limite.

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e) Donner domaine et primitive de {g(x)=a/(x^2+a^2)}.
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f) Valider la limite.
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g) Étudier {f(x)=\sum\limits_{n\geq1}(n^2-x^2)/(n^2+x^2)^2} et son domaine.
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h) Justifier {S'(a)=f(a)}.
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Exercice 8. (★★) Équivalents ; Comparaison série-intégrale ; Suites implicites
Pour {0\leq\alpha\leq1}, posons {a_n=\min\left\{p\geq1:n\leq\sum\limits_{k=1}^pk^{-\alpha}\right\}}.

Montrer l’existence et {a_n\geq n}, puis trouver des équivalents de la somme partielle et de {a_n}.

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Exercice 9. (★★) Comparaison série-intégrale ; Séries à termes positifs ; Équivalents
Pour {n\geq1}, soit {a_n=\sum\limits_{k=1}^n(\ln k)^2}.

Donner un équivalent de {a_n} et étudier {\sum\limits1/a_n}.

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Exercice 10. (★★) Comparaison ; Suites récurrentes ; Applications lipschitziennes
1) Sur un intervalle fermé non vide {I}, montrer qu’une application {k}-lipschitzienne {f:I\to I}, {0\leq k\lt 1}, possède un unique point fixe.
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2) Pour {u_0\geq1}, {u_{n+1}=(u_n+1/u_n)/2}, étudier {\sum\limits(u_n-1)}.
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Exercice 11. (★★) Séries alternées ; Développements limités ; Équivalents
Montrer {H_n=\ln n+\gamma+o(1)} pour une constante réelle {\gamma}. Puis montrer qu’il existe {C>0} tel que {\prod\limits_{k=2}^n(1+(-1)^k/\sqrt k)\sim C/\sqrt n}.
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Exercice 12. (★★★) Comparaison série-intégrale ; Équivalents ; Convergence
1) Justifier {I=\int_0^\infty e^{-t^2}dt} et {g(x)=\sum\limits_{n\geq1}x^{n^2}} pour {0\leq x\lt 1}.
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2) Donner un équivalent de {g(x)} en {1^-} avec {I}.
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3) Pour {h:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+} décroissante continue intégrable et non identiquement nulle, donner un équivalent de {\sum\limits_{n\geq1}h(nt)} quand {t\to0^+}.
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Exercice 13. (★★★★) Rayon de convergence ; Limite au bord ; Convergence
1) Montrer le théorème de Cesàro pour une suite complexe tendant vers zéro.
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2) Si {na_n\to0}, montrer que {\sum\limits a_nz^n} converge pour {|z|\lt 1}.
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3) Si {f(x)=\sum\limits a_nx^n\to\ell\in\mathbb{R}} en {1^-}, montrer que {\sum\limits a_n} converge et vaut {\ell}. On pourra utiliser {1-t^n\leq n(1-t)} sur {[0,1]}.
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Exercice 14. (★★) comparaison série-intégrale ; équivalents ; domination et négligeabilité
Pour {u_n=1/(n(\log n)^2)}, montrer la convergence de {\sum\limits u_n}.

Étudier {\sum\limits u_n^{1-1/\log\log n}}.

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Exercice 15. (★★★) convergence absolue ; séries alternées ; développements limités
a) Calculer {\sum\limits_{k\ge0}(-1)^k/(2k+1)} et justifier sa convergence.
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b) Pour {v_n=\sum\limits_{k=n+1}^{\infty}(-1)^k/(2k+1)}, montrer que {\sum\limits v_n} converge.
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c) Étudier {\sum\limits_n\log\tan(\sum\limits_{k=0}^n(-1)^k/(2k+1))}.
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Exercice 16. (★★) comparaison série-intégrale ; intégrales généralisées ; équivalents
a) Justifier {\int_0^\infty e^{-x^2}dx}.
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b) Montrer que {g(x)=\sum\limits_{n\ge1}x^{n^2}} est définie pour {|x|\lt 1}.
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c) Donner un équivalent en {1^-}.
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d) Pour {h>0} continue décroissante intégrable sur {\mathbb{R}_+^\star}, étudier {S(t)=\sum\limits_{n\ge1}h(nt)} et son équivalent en {0^+}.
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Exercice 17. (★★★) convergence absolue ; normes usuelles ; développements usuels
Sur {M_2(\mathbb{R})}, on pose {N(A)=\max_{i,j}|a_{ij}|}.
1) Montrer qu’il existe {c>0} tel que {N(AB)\leq cN(A)N(B)} pour tous {A,B}.
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2) Montrer que {\sum\limits_{k=0}^nA^k/k!} converge ; on note sa limite {\exp(A)}.
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3) Pour {A_t=\begin{pmatrix}t&1\\[4pt]0&t\end{pmatrix}} et {B_t=\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\[4pt]\sin t&\cos t\end{pmatrix}}, calculer {\exp(A_t)} et {\exp(B_t)}.
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Exercice 18. (★★★) séries à termes positifs ; suites récurrentes ; équivalents
Soit {f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{R})} telle que {f(0)=1}, {f(x)>0} et {f'(x)\lt 0} pour tout {x}. Soit {x_0>0} et {x_{n+1}=x_nf(x_n)}.
1) Étudier {(x_n)}.
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2) Si {\alpha_n\to\ell\in\mathbb{R}}, montrer que {\frac1{n+1}\sum\limits_{k=0}^n\alpha_k\to\ell}.
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3) Quelle est la nature de {\sum\limits x_n} ?
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Exercice 19. (★★★) comparaison série-intégrale ; dérivation terme à terme ; équivalents
Soit {\varphi(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}e^{-nx}/\sqrt n}, {x>0}.
1) Montrer que {\varphi} est de classe {C^1} sur {]0,+\infty[}.
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2) Donner un équivalent de {\varphi(x)} lorsque {x\to0^+}.
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Exercice 20. (★★★★) séries géométrique et exponentielle complexes ; applications lipschitziennes ; convergence absolue
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} lipschitzienne.
1) Pour {a\ne0} et {\lambda\in]-1,1[}, montrer qu’il existe une unique fonction lipschitzienne {F} telle que {F(x)-\lambda F(x+a)=f(x)} pour tout {x}.
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2) Expliciter {F} lorsque {f=\cos}.
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Exercice 21. (★★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; comparaison série-intégrale ; intégration terme à terme
1) Montrer {\int_0^1\ln u/(1-u)\,du=-\sum\limits_{n=1}^{+\infty}1/n^2}.
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2) Soit {f\in C^0([0,1[,\mathbb{R})} croissante telle que {\int_0^1f(u)/u\,du} converge. Montrer {\lim_{x\to1^-}(1-x)\sum_{n=1}^{+\infty}f(x^n)=\int_0^1\frac{f(u)}u\,du.}
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3) Donner un équivalent de {\sum\limits_{n\geq1}\ln(1-x^n)} lorsque {x\to1^-}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.