Séries, familles sommables — CCINP et autres écoles

Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « séries, familles sommables », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) séries à termes positifs ; règle de d’Alembert ; comparaison
Soient {a>0} et {\alpha\in\mathbb{R}}.

Étudier la nature de {\sum_{n\geq1}\frac{n^\alpha}{a(1+a)\cdots(1+a^n)}.}

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Exercice 2. (★★) séries à termes positifs ; suites récurrentes ; monotonie
Soit {f\in C^0(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} telle que {f(0)=1} et {0\leq f(x)\lt 1} pour {x>0}. On définit {u_0\geq0} et {u_{n+1}=u_nf(u_n)}.

Montrer que {u_n\to0}.

Si {f} est dérivable en {0} avec {f'(0)\ne0}, montrer que {\sum\limits u_n^2} converge.

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Exercice 3. (★★★) théorème de Cesàro ; suites récurrentes ; équivalents
Soit {u_0=1} et {u_{n+1}=\sin u_n}.

Pour {k\in\mathbb{Z}}, déterminer la nature de {\sum\limits u_n^k}.

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Exercice 4. (★★) séries alternées ; convergence absolue ; comparaison
Déterminer la nature de {\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^n}{n^{3/4}+\sin n}.}
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Exercice 5. (★★★★) Calcul asymptotique ; séries alternées ; comparaison
Soient {\alpha>0}, {u_1>0} et {u_{n+1}=\frac{(-1)^{n+1}}{(n+1)^\alpha}\sum_{k=1}^nu_k, \qquad S_n=\sum_{k=1}^nu_k.}
a) Justifier l’existence de {\ln S_{n+1}} et l’exprimer avec {\ln S_n}.
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b) Donner un développement asymptotique à deux termes de {\ln(1+(-1)^n/n^\alpha)}.
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c) En déduire que {\sum\limits u_n} converge si {\alpha>1/2}.
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d) Pour {\alpha\leq1/2}, déterminer la limite de {\ln S_{n+1}} ; conclure sur la nature de la série {\sum\limits n u_n}.
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Exercice 6. (★★) sommation par paquets ; convergence absolue
Pour {n\geq1}, soit {u_n=(-1)^{n(n-1)/2}/\sqrt{n(n+1)}}.

Étudier {\sum\limits u_n}. On pourra sommer par paquets.

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Exercice 7. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; séries alternées ; intégration terme à terme
a) Montrer que {f(x)=\ln^2x/(1+x^2)} est intégrable sur {]0,1]}.
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b) Pour {n\in\mathbb{N}}, montrer l’intégrabilité de {u_n(x)=x^{2n}\ln^2x} et calculer son intégrale.
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c) Écrire {I=\int_0^1\ln^2x/(1+x^2)\,dx} comme somme d’une série.
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d) Comment calculer {I} à {10^{-N}} près ?

Donner le résultat pour {N=3}.

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Exercice 8. (★★★) convergence absolue ; séries alternées ; développements limités
Étudier {\sum\limits (-1)^n/\sqrt{n^{2\alpha}+(-1)^n}}.
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Exercice 9. (★★) convergence absolue ; séries alternées ; développements limités
Étudier {\sum\limits\cos(\pi\sqrt{n^2+n+1})}.
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Exercice 10. (★★) convergence absolue ; séries alternées ; développements limités
Étudier {\sum\limits\cos(n^2\pi\ln((n-1)/n))}.
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Exercice 11. (★★) Calcul asymptotique ; moyennes de Cesàro ; comparaison des séries positives
Soient {0\lt u_0\lt \pi/2}, {u_{n+1}=\sin u_n}.

Montrer {u_n\to0}, trouver {\alpha} tel que {u_{n+1}^\alpha-u_n^\alpha} ait une limite finie non nulle, puis donner un équivalent de {u_n} et étudier {\sum\limits u_n}.

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Exercice 12. (★★★) Calcul asymptotique ; série harmonique ; séries alternées
Pour {n\geq1}, soit {u_n=\prod\limits_{k=1}^n(1+(-1)^{k-1}/\sqrt k)}.

Donner un équivalent et étudier {\sum\limits u_n}.

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Exercice 13. (★★★) série harmonique ; comparaison des séries positives ; sommes télescopiques
Soit {r_n} le reste de {n} modulo cinq.

Montrer la convergence de {\sum\limits r_n/(n(n+1))}.

Exprimer {S_{5n}=\sum\limits_{k=1}^{5n}r_k/(k(k+1))} avec les nombres harmoniques, puis calculer la somme infinie.

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Exercice 14. (★★★) Intégration sur un segment ; séries alternées ; comparaison des séries positives
Posons {u_n=\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}\sin t/t\,dt}, {v_n=(-1)^nu_n} et {w_n=\int_{n\pi}^{(n+1)\pi}(\sin t/t)^2dt}.

Justifier les intégrales au rang zéro, donner les limites des suites et étudier {\sum\limits u_n,\sum\limits v_n,\sum\limits w_n}.

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Exercice 15. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; convergence dominée ; convergence absolue
Pour {n\geq1}, soit {I_n=\int_0^\infty\sin(nt)/(1+n^4t^3)dt}.

Justifier l’intégrale, trouver sa limite et étudier {\sum\limits I_n}.

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Exercice 16. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties ; comparaison des séries positives
Soit {I_n=\int_0^\infty(1+x^3)^{-n}dx}, {n\geq1}.

Justifier l’intégrale, montrer {I_{n+1}=(1-1/(3n))I_n}, étudier {n^{1/3}I_n} à l’aide du logarithme, puis {\sum\limits I_n}.

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Exercice 17. (★★) intégration par parties ; séries alternées ; équivalents
Soit {I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^{2n}x\,dx}.

Montrer {I_{n+1}+I_n=1/(2n+1)}, donner un équivalent de {I_n}, puis étudier et sommer {\sum\limits_{n\geq0}(-1)^n/(2n+1)}.

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Exercice 18. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties ; développements limités
Pour {I_n=\int_0^\infty(1+x^3)^{-n}dx}, justifier l’existence et {I_{n+1}=(1-1/(3n))I_n}.

Programmer les trapèzes pour {I_1}, puis les vingt premières sommes partielles {\sum\limits I_n^\alpha} pour {\alpha=1,2,3,4}.

Si {x_{n+1}/x_n=1-\lambda/n+y_n}, {x_n>0}, {\sum\limits|y_n|\lt \infty}, montrer {\ln(x_{n+1}/x_n)=-\lambda/n+z_n} avec {\sum\limits|z_n|\lt \infty}, puis {x_n\sim Cn^{-\lambda}} et conclure pour {\sum\limits I_n^\alpha}.

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Exercice 19. (★★★) série harmonique ; Intégration sur un intervalle quelconque ; Calcul asymptotique
On pose {G(x)=\int_0^{+\infty} \frac{t-\lfloor t\rfloor}{t(x+t)}\,dt}.
1) Montrer que {G} est bien définie pour {x>0}.

2) Pour {n\in\mathbb{N}^\star}, montrer que {\int_0^y\frac{t-\lfloor t\rfloor}{t(n+t)}\,dt =\frac1n\left(\int_0^n\frac{t-\lfloor t\rfloor}t\,dt -\int_y^{y+n}\frac{t-\lfloor t\rfloor}t\,dt\right).}3) Poser {H(n)=nG(n)}.

Montrer que la série de terme général {H(n+1)-H(n)-1/(2n)} converge.

En déduire un équivalent de {G(n)}.

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Exercice 20. (★★) convergence absolue ; convergence dominée ; séries alternées
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {u_n=(-1)^n\int_0^{\pi/2}(\cos x)^n\,dx}.

Étudier la convergence de {\sum\limits u_n} et calculer sa somme.

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Exercice 21. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; somme géométrique ; intégration par parties
Soit {I=\int_0^1\frac{\arctan(t^2)}t\,dt}.

Montrer que {I} est bien définie et que {I=-2\int_0^1\frac{t\ln t}{1+t^4}\,dt}.

Calculer {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}}.

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Exercice 22. (★★) comparaison série-intégrale ; équivalents ; développements limités
a) Étudier {\sum\limits_{n\ge2}1/(n(\log n)^\alpha)}.

b) Étudier la série de terme {((e-(1+1/n)^n)e^{1/n})/(\log(n^2+n))^2}.

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Exercice 23. (★★) comparaison à une série géométrique ; variations ; théorème des valeurs intermédiaires
Pour {g_n(t)=\log t-\arctan t-n\pi} :
a) montrer l’unicité d’un zéro positif {x_n} ;

b) montrer {x_n>e^{n\pi}} et étudier {\sum\limits1/x_n}.

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Exercice 24. (★★★) sommation par parties ; convergence absolue ; sommes partielles bornées
Si {\sum\limits u_n} converge, montrer que {\sum\limits u_n/n} converge.
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Exercice 25. (★★) séries alternées ; suites récurrentes ; équivalents
Pour {u_0\in\mathbb{R}}, {u_{n+1}=e^{-u_n}/(n+1)}, étudier {\sum\limits u_n} et {\sum\limits(-1)^nu_n}.
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Exercice 26. (★★★) comparaison série-intégrale ; dérivation terme à terme ; équivalents
Soit {f:x\mapsto\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\exp(-x\sqrt n)}.
a) Déterminer le domaine de définition de {f}.

b) Montrer que {f} est de classe {C^\infty}.

c) Déterminer un équivalent simple en {0} de {f}.

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Exercice 27. (★★★) rayon de convergence ; dérivation terme à terme ; intégrales impropres
Soit {(a_n)\in\mathbb{C}^{\mathbb{N}}} telle que {\sum\limits a_n} converge. On pose {S_n=\sum\limits_{k=0}^n a_k}, {f(t)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\frac{a_n}{n!}t^n} et {g(t)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\frac{S_n}{n!}t^n}.
a) Déterminer les rayons de convergence.

b) Montrer que pour {t\ge0}, {f'(t)=g'(t)-g(t)} et {\int_0^t f(u)e^{-u}\,du=(g(t)-f(t))e^{-t}}.

c) En déduire {\int_0^{+\infty}f(u)e^{-u}\,du=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}a_n}.

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Exercice 28. (★★★) convergence dominée ; séries de fonctions positives ; critères d’intégrabilité
Soit {\alpha\in\mathbb{R}} et {I_n=\int_0^1t^n|\ln(1-t)|^\alpha\,dt}.
a) Pour quelles valeurs de {\alpha} l’intégrale converge-t-elle ?

b) Déterminer la limite de {(I_n)}.

c) La série {\sum\limits I_n} converge-t-elle ?

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Exercice 29. (★★★) somme géométrique ; Intégration sur un intervalle quelconque ; convergence dominée
Pour {n\in\mathbb{N}^\star}, soit {I_n=\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(1+x^3)^n}}.
a) Justifier la définition de {I_n}.

b) Montrer que {(I_n)} converge et déterminer sa limite.

c) Montrer que {\sum\limits_{n\ge1}(-1)^nI_n} converge et déterminer sa somme.

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Exercice 30. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Intégration sur un segment ; convergence dominée
Soit {I_n=\int_0^{\pi/4}\tan^n(x)\,dx}.
a) Montrer que {I_n\to0}.

b) Calculer {I_n+I_{n+2}}.

c) Calculer {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}} par télescopage.

d) Retrouver directement le résultat.

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Exercice 31. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties ; sommabilité absolue
Pour {(n,p)\in\mathbb{N}^2}, on pose {a_{n,p}=\int_0^1x^n(\ln x)^p\,dx}.
a) Justifier l’existence et calculer {a_{n,p}}.

b) Justifier l’existence et calculer {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}\sum\limits_{p=0}^{+\infty}\frac1{a_{n,p}}}.

c) La famille {(1/a_{n,p})_{(n,p)\in\mathbb{N}^2}} est-elle sommable ?

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Exercice 32. (★★) convergence absolue ; développements limités ; critères de comparaison
Pour {a,b,c\in\mathbb{R}} et {n\geq1}, soit {u_n=a\ln n+b\ln(n+1)+c\ln(n+2)}.

À quelles conditions {\sum\limits u_n} converge-t-elle ?

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Exercice 33. (★★) convergence absolue ; séries télescopiques ; équivalents
Pour {n\geq3}, soit {u_n=\ln\bigl((n^4-2n^3+2n-1)/(n^4-2n^3)\bigr)}.

Étudier la série et calculer sa somme si elle converge.

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Exercice 34. (★★★) sommes partielles ; séries alternées ; réarrangement
Soit {\sigma:\mathbb{N}\to\mathbb{N}} définie par {\sigma(3n)=4n}, {\sigma(3n+1)=4n+2}, {\sigma(3n+2)=2n+1}.
1) Montrer qu’elle est bijective.

2) Pour {n\geq1}, soit {u_n=(-1)^n/n} et {v_n=u_{\sigma(n)}}.

Montrer que les deux séries convergent et calculer leurs sommes.

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Exercice 35. (★★★) comparaison série-intégrale ; critères de comparaison ; équivalents des restes
1) Décomposer en éléments simples {1/[X^2(X+1)]}.

2) Pour {u_n=\sum\limits_{k=n}^{+\infty}1/k^2}, déterminer la nature des séries de termes {u_n}, {u_n-1/n} et {nu_n-1}.

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Exercice 36. (★★) séries télescopiques ; suites récurrentes ; équivalents
Soit {u_0\in]0,\pi/2[} et {u_{n+1}=\sin u_n}.
1) Étudier sa convergence et sa limite.

2) Étudier {\sum\limits(u_{n+1}-u_n)} et en déduire la nature de {\sum\limits u_n^3}.

3) Étudier {\sum\limits\ln(u_{n+1}/u_n)} et en déduire la nature de {\sum\limits u_n^2}.

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Exercice 37. (★★★) comparaison série-intégrale ; Calcul asymptotique ; séries de Riemann
Soient {0\lt \beta\leq1\lt \alpha} et {R_n=\sum_{k=n+1}^{+\infty}k^{-\alpha},\quad S_n=\sum_{k=1}^nk^{-\beta},\quad\mu_n=R_n/S_n.}
1) Montrer que {R_n} est définie.
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2) Donner des équivalents de {R_n,S_n} et étudier {\sum\limits\mu_n} et {\sum\limits(-1)^n\mu_n}.
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Exercice 38. (★★) Suites numériques ; séries à termes positifs ; sommes de Riemann
Pour {\alpha\geq0} et {n\geq1}, soit {u_n=\sum\limits_{k=1}^n(n+k)^{-\alpha}}.
1) Étudier la convergence de {(u_n)} selon {\alpha}.

2) Étudier celle de {\sum\limits u_n}.

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Exercice 39. (★★★) rayon de convergence ; convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque
Pour {n\geq1}, soit {a_n=\int_0^{+\infty}(\cosh t)^{-n}\,dt}.
1) Montrer que les {a_n} sont bien définis.
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2) Étudier leur convergence.
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3) Quelle est la nature de {\sum\limits(-1)^na_n} ?
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4) Déterminer le rayon de {\sum\limits a_nx^n}.
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Exercice 40. (★★★) convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque ; séries alternées
Pour {\alpha>1} et {n\geq1}, soit {I_n(\alpha)=\int_0^{+\infty}(1+t^\alpha)^{-n}\,dt}.
1) Vérifier la convergence.
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2) Montrer que {(I_n(\alpha))} converge et préciser sa limite.
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3) Montrer que {\sum\limits_{n\geq1}(-1)^{n-1}I_n(\alpha)} converge et exprimer sa somme sous forme intégrale.
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PSI


Exercice 1. (★★) Séries à termes positifs ; Équivalents
Étudier la nature de {\sum\limits_{n\geq 2}u_n}, où {u_n=\arctan((n+1)/(n-1))-\pi/4}.
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Exercice 2. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Convergence absolue ; Changement de variable
On donne {\int_0^{+\infty}e^{-t^2}\,dt=\sqrt\pi/2}.
a) Étudier la nature de {\sum\limits_{n\geq 1}\frac{(-1)^n}{n} \int_n^{+\infty}e^{-t^2}\,dt}.
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b) En déduire la nature de {\sum\limits_{n\geq 1}(-1)^n\int_0^1e^{-n^2t^2}\,dt}.
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Exercice 3. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Convergence absolue ; Intégration par parties
a) Justifier la convergence de {\int_0^1\sin x/x\,dx} et {\int_1^{+\infty}\sin x/x\,dx}.
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b) Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {a_n=\int_{n\pi}^{+\infty}\sin x/x\,dx} et {b_n=\int_{n\pi}^{+\infty}\sin x/x^3\,dx}.

Montrer que, pour {n\geq 1}, {a_n=(-1)^n/(n\pi)-2b_n}.

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c) Montrer la convergence de {\sum\limits a_n}.
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Exercice 4. (★★★) Convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque ; Séries alternées
Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {I_n=\int_0^{\pi/4}(\tan x)^n\,dx}.
a) Déterminer {\lim I_n}.
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b) Calculer {I_n+I_{n+2}}.
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c) En déduire {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}(-1)^n/(2n+1)} par télescopage.
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d) Prouver la convergence de {\sum\limits_{n\geq 0}(-1)^nI_n} et calculer sa somme.
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Exercice 5. (★★) Séries alternées ; Convergence absolue ; Développements limités
Étudier la nature de la série de terme général {u_n=\frac{(-1)^n}{(-1)^n+\sqrt n\ln n}}, {n\ge1}.
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Exercice 6. (★★★) Convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque ; Intégration par parties
Soit {a_n=\int_0^{+\infty}e^{-t}\sin^{2n}t\,dt}.

Montrer son existence et déterminer sa limite.

Montrer {a_n=\frac{4n^2-2n}{4n^2+1}a_{n-1}}.

Pour {b_n=\sqrt n\,a_n}, montrer la convergence de {\sum\limits\ln(b_n/b_{n-1})}.

Conclure sur {\sum\limits a_n}.

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Exercice 7. (★★) Développements limités ; Séries alternées ; Comparaison de séries
Étudier la nature de {\sum\limits_{n\ge2}(-1)^n\sin\left(\frac1{\sqrt n+(-1)^n}\right)}.
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Exercice 8. (★★) Suites récurrentes ; Sommes télescopiques ; Équivalents
Étudier {u_0>0}, {u_{n+1}=\ln(1+u_n)}.

Montrer {\sum\limits u_n^2\lt \infty}, étudier {v_n=1/u_{n+1}-1/u_n}, puis, en admettant Cesàro, donner un équivalent de {u_n}.

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Exercice 9. (★★) séries alternées ; majoration du reste ; convergence absolue
a) Soit {u_n=\sum\limits_{k=n+1}^{+\infty}\frac{(-1)^k}{\sqrt k}}.

Montrer que cette suite est bien définie et tend vers zéro.

b) On pose {v_n=\frac{(-1)^n}{n}u_n}.

Déterminer la nature de {\sum\limits v_n}.

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Exercice 10. (★★) séries alternées ; convergence absolue ; développements limités
a) Rappeler le théorème spécial des séries alternées.

b) Étudier {\sum\limits_{n\ge1}\cos\bigl(\pi n^2\ln(1+1/n)\bigr)}.

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Exercice 11. (★★) séries alternées ; suites récurrentes ; équivalents
Soient {u_0>0} et {u_{n+1}=e^{-u_n}/(n+1)}.
a) Déterminer {\lim u_n}.

b) En déduire {\lim nu_n}.

c) Nature de {\sum\limits u_n} et {\sum\limits(-1)^nu_n} ?

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Exercice 12. (★★★) comparaison des séries positives ; moyennes de Cesàro ; suites monotones
Soit {u_0\in]0,\pi/2[} et {u_{n+1}=\sin u_n}.
a) Montrer que {(u_n)} converge et déterminer sa limite.

b) Nature de {\sum\limits u_n^3} ?

c) Nature de {\sum\limits u_n^2} ?

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Exercice 13. (★★) comparaison série-intégrale ; séries de Riemann ; équivalents du reste
Pour {\alpha>1}, on pose {S_n(\alpha)=\sum\limits_{k=1}^nk^{-\alpha}} et {R_n(\alpha)=\sum\limits_{k=n+1}^{+\infty}k^{-\alpha}}.
a) Montrer {R_n\to0}.

b) Montrer {R_n\sim1/((\alpha-1)n^{\alpha-1})}.

c) Nature de {\sum\limits R_n(\alpha)/S_n(\alpha)} ?

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Exercice 14. (★★) séries alternées ; Intégration sur un intervalle quelconque ; convergence absolue
a) Citer le théorème spécial des séries alternées.

b) Montrer que {\sum\limits_{n\ge1}\frac{(-1)^n}{n}\int_n^{+\infty}e^{-t^2}\,dt} converge.

Est-ce absolu ?

c) En déduire la nature de {\sum\limits_{n\ge1}(-1)^n\int_0^1e^{-n^2t^2}\,dt}.

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Exercice 15. (★★) convergence absolue ; comparaison série-intégrale ; séries alternées
Déterminer le domaine de définition de {x\mapsto\sum\limits_{n=2}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{n(\ln n)^x}}.
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Exercice 16. (★★★) convergence normale ; comparaison série-intégrale ; équivalents
Pour {n\ge1}, soit {f_n(x)=x/(n(1+n^2x^2))}.
a) Étudier la convergence simple de {\sum\limits f_n}.

b) Étudier la continuité de sa somme {S}.

c) Donner un équivalent de {S} en zéro.

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Exercice 17. (★★) rayon de convergence ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties
Pour {k\in\mathbb{N}}, {n\ge1}, soient {I_{k,n}=\int_0^{+\infty}t^ke^{-nt}\,dt} et {a_n=n!/n^{n+1}}.
a) Justifier {I_{k,n}}.

b) Le calculer.

c) Rayon de {\sum\limits a_nx^n} ?

d) Nature de {\sum\limits a_ne^n} ?

e) Nature de {\sum\limits a_n(-e)^n} ?

f) Domaine de la somme ?

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Exercice 18. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; convergence absolue ; convergence dominée
Pour {n\ge1}, soit {a_n=\int_0^{+\infty}(\cosh t)^{-n}\,dt}.
a) Justifier la définition.

b) Étudier la limite.

c) Nature de {\sum\limits(-1)^na_n} ?

d) Rayon de {\sum\limits a_nx^n} ?

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Exercice 19. (★★) Suites numériques ; séries de Riemann ; théorème des valeurs intermédiaires
1) Pour {n\geq1}, montrer que {x^n+x\sqrt n-1=0} a une unique solution {x_n\in[0,1]}.

2) Déterminer sa limite.

3) Étudier la série de terme général {x_n}.

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Exercice 20. (★★) séries alternées ; séries de Riemann ; développements limités
Déterminer la nature de la série de terme général {(-1)^n/(\sqrt n+(-1)^n)}.
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Exercice 21. (★★★) changement de variable ; séries alternées ; équivalents
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {U_n=\int_0^{\pi/4}\tan^nt\,dt}.
1) Relier {U_{n+2}} et {U_n}.
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2) Donner un équivalent de {U_n}.
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3) Étudier {\sum\limits(-1)^nU_n}.
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4) Montrer la convergence de {\sum\limits_{k=0}^{+\infty}(-1)^k/(2k+1)} et calculer sa somme.
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Exercice 22. (★★) comparaison somme-intégrale ; restes de séries ; équivalents
Pour {\alpha>1}, soit {R_n(\alpha)=\sum\limits_{k=n+1}^{+\infty}k^{-\alpha}}.

Montrer {R_n(\alpha)\to0} et {R_n(\alpha)\sim1/[(\alpha-1)n^{\alpha-1}]}.

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Exercice 23. (★★) raisonnement par récurrence ; comparaison somme-intégrale ; équivalents
1) Montrer {(1+x)^k\geq1+kx} pour {x>-1}, {k\in\mathbb{N}}.
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2) Pour {x_n=\sum\limits_{k=1}^n(1-1/n)^k/k}, donner un encadrement.
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3) Montrer que {\sum\limits_{n\geq1}(1/n-\int_n^{n+1}dt/t)} converge et en déduire un équivalent de {x_n}.
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Exercice 24. (★★) séries alternées ; convergence absolue ; équivalents
Étudier la série de terme général {u_n=\sin(\pi\sqrt{n^2+1})}.
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Exercice 25. (★★) comparaison de séries ; développements limités ; équivalents
Étudier la série de terme général {u_n=e-(1+1/n)^n}.
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Exercice 26. (★★) séries alternées ; convergence absolue ; développements limités
Étudier la série de terme général {u_n=(-1)^n/(n+(-1)^n)}.
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Exercice 27. (★★★★) sommes partielles bornées ; comparaison somme-intégrale ; convergence absolue
Étudier la série de terme général {u_n=(-1)^n\sin(\ln n)/n}.
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Exercice 28. (★★) séries alternées ; convergence absolue ; développements limités
1) Énoncer le critère spécial des séries alternées.

2) Pour {u_n=\cos(\pi n^2\ln(1+1/n))}, montrer {u_n=(-1)^n\pi/(3n)+O(n^{-2})}.

3) En déduire la nature de {\sum\limits u_n}.

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Exercice 29. (★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; comparaison de séries ; comparaison d’intégrales
Pour {n\in\mathbb{N}}, justifier l’existence de {I_n=\int_n^{+\infty}e^{-t^2}\,dt}, puis étudier {\sum\limits I_n} et {\sum\limits nI_n}.
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Exercice 30. (★★★) Séries entières ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration terme à terme
Pour {k\in\mathbb{N}}, {n\geq1}, soit {I_{k,n}=\int_0^{+\infty}t^ke^{-nt}\,dt} et {a_n=I_{n,n}}.
1) Déterminer la limite de {(1-1/n)^n}.
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2) Justifier l’existence de {I_{k,n}}.
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3) Calculer {I_{k,n}}.
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4) Déterminer le rayon de {\sum\limits a_nx^n}.
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5) Étudier {\sum\limits a_ne^n}.
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6) Étudier {\sum\limits(-1)^na_ne^n}.
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7) Montrer, pour {|x|\lt R}, {\sum\limits_{n\geq1}a_nx^n=\int_0^\infty tx/(e^t-tx)\,dt}.
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PC


Exercice 1. (★★) Séries alternées ; Passage à la limite sous l'intégrale ; Sommes géométriques
Pour {n\geq1}, on pose {S_n=\sum\limits_{k=1}^n(-1)^{k-1}/k}.
a) Quelle est la nature de la série associée ?
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b) Montrer que {S_{2n+2}=\sum\limits_{k=0}^n(1/(2k+1)-1/(2k+2))}.
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c) Montrer que {(S_{2n})} converge.

Retrouver le résultat de a).

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d) Pour {t\in[0,1]}, étudier la convergence et calculer la somme de {\sum\limits_{k\geq1}(t^{2k}-t^{2k+1})}.
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e) En déduire la valeur de {\sum\limits_{n=1}^{+\infty}(-1)^{n-1}/n}.
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Exercice 2. (★★) Convergence absolue ; Sommes télescopiques ; Développements limités
Pour {n\geq1}, on pose {u_n=1+1/2+\cdots+1/n-\ln n}. La série {\sum\limits(u_n-u_{n-1})} est-elle convergente ?

Que peut-on en déduire ?

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Exercice 3. (★★) Séries alternées ; Convergence absolue ; Développements limités
Soient {\theta,\varphi\in\mathbb{R}}. Pour {n\geq2}, on pose {u_n=e^{in\theta}/(\sqrt n+e^{in\varphi})}.
a) Montrer que {u_n=\frac{e^{in\theta}}{\sqrt n} -\frac{e^{in(\theta+\varphi)}}n +O(n^{-3/2}).}
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b) Si {\theta} et {\varphi} sont des multiples de {\pi}, étudier la nature de {\sum\limits u_n}.
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Exercice 4. (★★) Convergence absolue ; Sommes télescopiques ; Identités trigonométriques
Soit {x\in\mathbb{R}}. Pour {n\in\mathbb{N}}, on pose {u_n=3^n\sin^3(x/3^n)}.
a) Montrer que {\sum\limits u_n} converge.
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b) Calculer sa somme. On pourra utiliser {\sin^3t=(3/4)\sin t-(1/4)\sin(3t)}.
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Exercice 5. (★★★) Sommes télescopiques ; Équivalents ; Développements limités
Soient {a,b>0} tels que {1+a\lt b}. Soit {(u_n)} strictement positive vérifiant {u_{n+1}/u_n=(n+a)/(n+b)}.
a) Trouver un équivalent de {\ln(u_{n+1}/u_n)}.
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b) Montrer que la somme de ces logarithmes tend vers {-\infty}, puis que {u_n\to0}.
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c) Poser {\alpha=b-a} et {v_n=n^\alpha u_n}.

Montrer que {\sum\limits\ln(v_{n+1}/v_n)} converge.

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d) Montrer qu’il existe {A>0} tel que {u_n\sim A/n^\alpha}.

En déduire la convergence de {\sum\limits u_n}.

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e) Montrer que {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}u_n=u_0(1-b)/(a-b+1)}.
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Exercice 6. (★★) Suites récurrentes ; Monotonie ; Sommes télescopiques
Soit {u_0=a>0} et {u_{n+1}=u_ne^{-u_n}}.
a) Montrer que {u_n>0}.
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b) Montrer que {(u_n)} converge et calculer sa limite.
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c) Étudier {\sum\limits u_n}. On pourra s’intéresser à {\ln u_n}.
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Exercice 7. (★★★) Convergence uniforme ; Convergence ; Continuité de la somme
a) Calculer {\sum\limits_{k=1}^ne^{ik\theta}}.
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b) Pour deux suites complexes {(a_n),(b_n)}, poser {S_n=\sum\limits_{k=1}^nb_k} et montrer que {\sum_{k=1}^na_kb_k =\sum_{k=1}^{n-1}(a_k-a_{k+1})S_k+a_nS_n.}
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c) Pour {\theta\not\equiv0\pmod{2\pi}}, montrer que {\sum_{k=1}^{n-1} \left|\left(\frac1k-\frac1{k+1}\right) \sum_{m=1}^ke^{im\theta}\right|}est bornée.

En déduire la convergence de {\sum\limits e^{ik\theta}/k}.

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d) Étudier cette série si {\theta\equiv0\pmod{2\pi}}.
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e) Montrer que {f(x)=\sum\limits_{k=1}^{+\infty}\sin(kx)/k} est définie et continue sur {]0,2\pi[}.
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Exercice 8. (★) comparaison à une série de Riemann ; équivalents
Soit {u_n=\pi/2-\arcsin(n/(n+1))}.

Déterminer la nature de {\sum\limits\sin u_n}.

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Exercice 9. (★★) Séries télescopiques ; Identités trigonométriques
Pour {n\ge1}, poser {u_n=\sin(1/(n^2+n))/(\cos(1/n)\cos(1/(n+1)))}.

Montrer la convergence et calculer la somme de {\sum\limits u_n}.

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Exercice 10. (★★) Comparaison série-intégrale ; Décomposition en éléments simples ; Sommes partielles
Soient {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k} et {u_n=1/(\sum\limits_{k=1}^nk^2)}.

Décomposer {1/(n(n+1)(2n+1))} sous la forme {a/n+b/(n+1)+c/(2n+1)}.

Montrer {\sum\limits_{k=1}^nk^2=n(n+1)(2n+1)/6} et étudier {\sum\limits u_n}.

Montrer {H_{2n}-H_n\to\ln2} par comparaison intégrale.

Exprimer {\sum\limits_{j=1}^n1/(2j+1)} à l’aide de {H_n,H_{2n},n}, puis calculer {\sum\limits_{n\ge1}u_n}.

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Exercice 11. (★★★) convergence absolue ; critère des séries alternées ; restes
Montrer {\sum\limits_{i=1}^p(u_{2i-1}+u_{2i})=\sum\limits_{i=1}^{2p}u_i}.

Montrer que {\sum\limits_{k\ge1}(-1)^k/\sqrt k} converge et, pour son reste {R_n}, {R_n=(-1)^{n+1}\sum_{k\ge0}\left( \frac1{\sqrt{n+1+2k}}-\frac1{\sqrt{n+2+2k}}\right).}Montrer que {g_n(x)=1/\sqrt{n+x}} est convexe et que {g_n(2x)-g_n(2x-1)\le g_n(2x+1)-g_n(2x)} pour {x\ge1}.

Montrer que {|R_n|} décroît, puis étudier {\sum\limits R_n}.

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Exercice 12. (★★★) convergence uniforme ; regroupement de termes ; intégration terme à terme
Soit {p\ge1} et {\varepsilon_n} de période {2p}, avec {p} termes égaux à un puis {p} égaux à {-1}.

Pour {p=1}, montrer la convergence de {\sum\limits\varepsilon_n/n}, la retrouver en regroupant {1/(2k+1)-1/(2k+2)}, puis montrer la convergence uniforme de {\sum\limits\varepsilon_kt^k/k} sur {[0,1]} et calculer la somme en un.

Dans le cas général, montrer, pour {n\ge1}, {0\le\sum\limits_{k=2np+1}^{2np+2p}\varepsilon_k/k\le1/(4n^2)}.

Donner un autre calcul de la somme.

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Exercice 13. (★★) convergence absolue ; séries de Riemann ; développements limités
Soit {u_n=\sqrt n+a\sqrt{n+1}+b\sqrt{n+2}}.

Trouver {\alpha} tel que {u_n=(1+a+b)\sqrt n+\alpha/\sqrt n+O(n^{-3/2})}, puis les couples {(a,b)} pour lesquels {\sum\limits u_n} converge.

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Exercice 14. (★★) développement limité du logarithme ; produits et logarithmes ; séries alternées
Pour {n\ge2}, poser {a_n=(-1)^n/\sqrt n}.

Étudier {\sum\limits\ln(1+a_n)} et calculer {\lim_{n\to\infty}\prod\limits_{k=2}^n(1+a_k)}.

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Exercice 15. (★★★) convergence normale ; continuité de la somme ; produits et logarithmes
Pour {a>0}, poser {u_n(a)=\prod\limits_{p=2}^n(1-p^{-a})}.
1) Montrer {\ln(1+t)\le t} pour {t>-1}.

2) Pour {a=2}, trouver {\lambda} tel que {u_n(2)=\lambda(n+1)/n} et sa limite.

3) Étudier la convergence de {u_n(a)} ; pour {a\lt 1}, utiliser la série {\sum\limits\ln(1-p^{-a})} pour déterminer la limite.

4) Poser {u(a)=\lim_nu_n(a)}, {f_p(a)=-\ln(1-p^{-a})}.

Montrer la convergence normale de {\sum\limits f_p} sur {[a_0,\infty[} si {a_0>1}, puis la continuité de {u} sur {]1,\infty[}.

5) Montrer {\sum\limits_{p\ge2}f_p(a)\le-\int_2^{+\infty}dt/t^a}.

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Exercice 16. (★★) convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque ; critère des séries alternées
Soit {u_n=\int_0^{+\infty}dt/(1+t^3)^n}, {n\ge1}.

Montrer son existence, sa convergence et calculer sa limite.

Montrer que {\sum\limits(-1)^nu_n} converge et relier {u_{n+1}} à {u_n}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.