Séries entières — Centrale-Supélec

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

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) rayon de convergence ; convergence absolue ; équivalents
Soient {a,b,c\in\mathbb{C}\setminus\left\{0,-1,-2,\ldots\right\}} et {u_n=n!^{-1}\prod\limits_{k=0}^{n-1}(a+k)(b+k)/(c+k)}.

Déterminer le rayon de {\sum\limits u_nz^n}, puis la condition exacte de convergence absolue sur son cercle de convergence.

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Exercice 2. (★★★) partitions ; relations de récurrence ; produit de Cauchy
Noter {S(n,k)} le nombre de partitions de {\left\{1,\ldots,n\right\}} en {k} parties.

Programmer l’insertion de {n} dans une partition de {n-1}, puis l’énumération de toutes les partitions.

Calculer {S(n,1),S(n,n),S(n,k)} pour {k>n}, et prouver {S(n+1,k)=S(n,k-1)+kS(n,k)}.

Développer {f_k(x)=\prod\limits_{j=1}^k(1-jx)^{-1}} en série entière, préciser son rayon et exprimer {\sum\limits_{n\geq1}S(n,k)x^n}.

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Exercice 3. (★★★) développement en série entière ; dérivation terme à terme ; formules de Taylor
Pour {f\in C^\infty(\mathbb{R})}, montrer l’équivalence entre son développement en série entière près de zéro et l’existence de {\alpha,M,a>0} tels que {|f^{(n)}(x)|\leq Ma^nn!} pour tous {n\geq0}, {|x|\leq\alpha}.
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Exercice 4. (★★★) dérivation terme à terme ; comportement aux bornes ; équivalents
Vérifier numériquement, puis prouver pour {p\in\mathbb{N}}, {(1-x)^{p+1}\sum\limits_{n\geq0}n^px^n\to p!} en {1^-}. Pour {a_n,b_n\geq0}, {a_n\sim b_n}, supposer que {g(x)=\sum\limits b_nx^n} a rayon {1} et que {\sum\limits b_n} diverge.

Montrer {g(x)\to\infty} puis {\sum\limits a_nx^n\sim g(x)}.

Enfin établir {\sum\limits_{n\geq p}n!x^n/(n-p)!=p!x^p/(1-x)^{p+1}} et conclure.

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Exercice 5. (★★★) développement en série entière ; unicité ; primitives
Définir {A_0=1}, {A_{n+1}'=A_n}, {\int_0^1A_{n+1}=0}.

Calculer {A_1,A_2,A_3} et programmer {A_n}.

Comparer {A_n(0),A_n(1)} et {A_n(X),A_n(1-X)}.

Tracer {x/(e^x-1)} et {\sum\limits_{k=0}^{10}A_k(0)x^k}. Formuler et démontrer les identités observées.

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Exercice 6. (★★) développement en série entière ; dérivation sous l’intégrale ; formules de Taylor
Soit {f\in C^\infty(\mathbb{R})} avec {|f^{(n)}(x)|\leq M} pour tout {n,x}.

Montrer que {f} est somme d’une série entière.

Pour {u\in C^1(\mathbb{R})}, montrer que {T_u(x)=\int_0^xf(t)u(x-t)dt} est {C^1} et exprimer sa dérivée.

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Exercice 7. (★★) convergence aux bornes ; suites récurrentes ; équivalents
Soient {0\lt u_0\lt \pi/2}, {u_{n+1}=\sin u_n} et {a_n=\int_0^{u_n}dt/(1+\sin t)}.

Étudier leurs limites et comportements asymptotiques, la nature de {\sum\limits u_n^2,\sum\limits u_n^3}, puis le rayon de {\sum\limits a_nx^n} et sa convergence en {1} et {-1}.

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Exercice 8. (★★★★) dérivation sous l’intégrale ; intégration terme à terme ; intégration par parties
Poser {f(x)=\int_0^\infty e^{-t^4}\cos(xt)dt} et {J_n=\int_0^\infty e^{-t^4}t^{2n}dt}.

Justifier les intégrales, programmer {J_0,\ldots,J_N} et tracer {f}. On admet {J_0,J_1\leq1}.

Trouver une récurrence entre {J_n,J_{n-2}}, montrer {0\leq J_n\leq n!} et développer {f} en série entière en précisant son rayon. Montrer {f'''(x)=xf(x)/4}, puis la bornitude de {x^kf^{(n)}(x)}.

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Exercice 9. (★★★) rayon de convergence ; irrationalité ; série exponentielle
1) Rappeler la règle de d’Alembert.
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2) Soit {(q_n)_{n\geq1}} croissante, à valeurs entières au moins deux.

Déterminer le rayon de {\sum\limits z^n/(q_1\cdots q_n)}.

Si {(q_n)} est stationnaire, montrer que {x=\sum\limits_{n\geq1}1/(q_1\cdots q_n)} est rationnel. Admettant provisoirement que {q_n\to\infty} entraîne l’irrationalité de {x}, montrer que {e}, {\cosh\sqrt2} et {e^{\sqrt2}} sont irrationnels.

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3) Démontrer la réciproque admise.
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Exercice 10. (★★★★) développement en série entière ; dérivation terme à terme ; rayon de convergence
Soit {\alpha>0} et {f(x)=\sum\limits_{n\geq1}\sin(nx)e^{-n^\alpha}}.

Montrer que {f} est {C^\infty}, puis développable en série entière au voisinage de zéro.

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Exercice 11. (★★★★) convergence dominée ; intégration terme à terme ; équivalents
Posons {a_0=1} et, pour {n\geq1}, {a_n=\frac1{n!}\int_0^1\prod\limits_{k=0}^{n-1}(t-k)\,dt}.
1) Montrer que le rayon de {S(x)=\sum\limits a_nx^n} est au moins un.
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2) Calculer {S(x)} pour {|x|\lt 1} et montrer que son rayon vaut un.
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3) Donner un équivalent de {a_n}.
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Exercice 12. (★★) produit de Cauchy ; coefficients binomiaux ; développements usuels
Pour {n\geq0}, posons {c_n=\frac1{n+1}\binom{2n}{n}}.
1) Rappeler le développement de {(1+x)^\alpha} et développer {f(x)=(1-\sqrt{1-4x})/(2x)}, {f(0)=1}, avec les {c_n}.
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2) Si {a/b=c/d} avec {\gcd(b,d)=1}, montrer que ce rationnel est entier.

Montrer que {c_n} est entier.

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3) Calculer {\sum\limits_{k=0}^nc_kc_{n-k}}.
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Exercice 13. (★★) produit de Cauchy ; permutations ; équations du premier ordre
Soit {t_n} le nombre d’involutions de {S_n}, avec {t_0=1}.
1) Montrer que {\sum\limits(t_n/n!)x^n} a un rayon au moins un.
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2) Calculer {t_1,t_2,t_3} et montrer {t_n=t_{n-1}+(n-1)t_{n-2}} pour {n\geq2}.
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3) Calculer sa somme {f} sur {]-1,1[}, donner une expression de {t_n}, et déterminer {\lim t_n/n!}.
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Exercice 14. (★★★★) rayon de convergence ; numération binaire ; Arithmétique
Soit {\mathcal P_n} l’ensemble des polynômes à coefficients dans {\left\{0,1,2\right\}} tels que {P(2)=n}, et {a_n=|\mathcal P_n|}. On note {s_n} la somme des chiffres binaires de {n}, et {b_{n,k}=|\left\{0\leq i\leq n:s_i-s_{n-i}\equiv k\pmod8\right\}|} pour {0\leq k\leq7}.
1) Calculer {a_0,a_1,a_2,a_3} et montrer que {\mathcal P_n} est fini.
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2) Montrer {a_{2n+1}=a_n} et {a_{2n}=a_n+a_{n-1}} pour {n\geq1}.
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3) Montrer que {A(x)=\sum\limits a_nx^n} a un rayon égal à un.
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4) Montrer {A(x)=(1+x+x^2)A(x^2)} et {A(x)=\lim_{N\to\infty}\prod\limits_{k=0}^N(1+x^{2^k}+x^{2^{k+1}})} pour {|x|\lt 1}.
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5) Avec {j=e^{2i\pi/3}}, établir {\prod_{k=0}^N(1+x^{2^k}+x^{2^{k+1}}) =\left(\sum_{k=0}^{2^{N+1}-1}(-j)^{N-s_k}x^k\right) \left(\sum_{k=0}^{2^{N+1}-1}(-\bar j)^{N-s_k}x^k\right).}
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6) Qu’en déduire sur {(a_n)} ?
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Exercice 15. (★★) densité ; convergence normale ; limite au bord du disque
1) Définir la densité dans {\mathbb{R}} et sa caractérisation séquentielle.

Déterminer les fonctions additives {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} continues en zéro.

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2) Une suite {(a_n)} vérifie {(P)} si {\sum\limits a_nx^n} a rayon au moins un et sa somme admet une limite réelle en {1^-}.

Montrer que l’absolue convergence de {\sum\limits a_n} entraîne {(P)} ; étudier la réciproque.

Déterminer les suites périodiques vérifiant {(P)}.

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Exercice 16. (★★★) développement en série entière ; unicité des coefficients ; sommation par paquets
Soit {(a_n)_{n\geq1}} réelle de carré sommable, et {f(t)=\sum\limits_{n\geq1}a_n/(n-t)}.
1) Préciser son domaine.
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2) Montrer qu’elle est développable en série entière autour de zéro.
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3) Si {f=0} sur {[-1/2,1/2]}, montrer que tous les {a_n} sont nuls.
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Exercice 17. (★★★) série de Taylor ; formule de Taylor-Lagrange ; dérivation terme à terme
1) Définir le développement en série entière en zéro et relier ses coefficients à {f^{(k)}(0)}.
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2) Si {f\in C^\infty} près de zéro et {|f^{(k)}(x)|\leq Ma^kk!} pour {|x|\lt \alpha}, montrer qu’elle y est développable localement.
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3) Réciproquement, montrer qu’une fonction développable en série entière satisfait une telle borne sur un voisinage de zéro.
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Exercice 18. (★★★★) convergence normale ; intégration terme à terme ; majoration des coefficients
On admet qu’une fonction entière sans zéro s’écrit {e^L} avec {L} entière.
1) Rappeler les modes de convergence d’une série entière.

Pour {F(z)=\sum\limits a_nz^n} entière et {G=\operatorname{Re}F}, montrer les formules, pour {n\geq1} : {\int_0^{2\pi}F(Re^{it})e^{-int}dt=2\pi a_nR^n,\qquad \int_0^{2\pi}G(Re^{it})e^{-int}dt=\pi a_nR^n,}et {\int_0^{2\pi}G(Re^{it})dt=2\pi\operatorname{Re}a_0}.

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2) Si {|G(z)|\leq p|z|+q}, {p,q>0}, montrer que {F} est de degré au plus un.
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3) Montrer que {z\mapsto ze^z} est surjective sur {\mathbb{C}}.
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Exercice 19. (★★★) Séries, familles sommables ; produit de Cauchy ; théorème d’Abel
a) Pour {\alpha\in\mathbb{R}}, donner un rayon où {(1+x)^\alpha=\sum\limits_{n\ge0}\binom\alpha n x^n}, et définir ces coefficients.
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b) Pour {\beta>0}, montrer {\prod\limits_{k=1}^n(1-\beta/k)\to0}.
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c) Montrer {\binom{\alpha+\alpha'}n= \sum\limits_{p+q=n}\binom\alpha p\binom{\alpha'}q}.
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d) Pour {0\lt x\lt y}, développer {(x+y)^\alpha}.
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e) Montrer {2^\alpha=\sum\limits_{n\ge0}\binom\alpha n} si {\alpha>-1}.
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Exercice 20. (★★★) dérivation terme à terme ; majoration des dérivées ; formule de Taylor
a) Montrer que la somme d’une série entière convergeant sur {]-\alpha,\alpha[} est {C^\infty} sur cet intervalle.
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b) Toute fonction {C^\infty} près de {0} est-elle analytique en {0} ?
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c) Montrer l’équivalence de l’analyticité en {0} avec l’existence de {\alpha,M,A>0} tels que {|f^{(n)}(x)|\le MA^nn!} pour tous {n} et {|x|\le\alpha}.
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Exercice 21. (★★★★) morphismes d’algèbres ; évaluations ; factorisation
Soit {R>0} et {\mathcal A_R} l’ensemble des fonctions {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} développables en série entière en {0} de rayon au moins {R}.
a) Montrer que c’est une algèbre réelle en précisant les lois.
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b) Déterminer les morphismes d’algèbres {\mathbb{R}[X]\to\mathbb{R}}.
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c) Pour un tel morphisme {\Phi}, une {\Phi}-dérivation est un endomorphisme linéaire {\delta} de {\mathbb{R}[X]} tel que {\delta(PQ)=\Phi(P)\delta(Q)+\Phi(Q)\delta(P)}. Les déterminer.
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d) Même question pour les morphismes {\mathcal A_R\to\mathbb{R}} et leurs {\Phi}-dérivations.
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Exercice 22. (★★★) série géométrique ; produit de Cauchy ; sommation par paquets
Si {f} est développable en série entière en {0} et {f(0)\ne0}, montrer que {1/f} l’est aussi.
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Exercice 23. (★★★★) formule de Stirling ; intégration terme à terme ; équivalents d’intégrales
a) Rappeler Stirling.
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b) Donner un équivalent de {I_n=\int_0^{\pi/2}\cos^{2n}x\,dx}.
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c) i) Pour {F(x)=\int_0^1dt/\sqrt{(1-t^2)(1-x^2t^2)}} :

donner le domaine réel ;

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c) ii) Pour {F(x)=\int_0^1dt/\sqrt{(1-t^2)(1-x^2t^2)}} :

développer en série entière en {0} ;

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c) iii) Pour {F(x)=\int_0^1dt/\sqrt{(1-t^2)(1-x^2t^2)}} :

donner un équivalent en {1}.

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Exercice 24. (★★★★) convergence dominée ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration terme à terme
1) Démontrer l’interversion série-intégrale sous convergence uniforme sur un segment.
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2) Pour {x\geq0}, montrer que {I(x)=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}e^{2\sqrt x\sin t}dt} est développable en série entière.
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3) Donner un équivalent en {+\infty} de {g(x)=\sum\limits_{n\geq0}x^n/(n!)^2}.
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Exercice 25. (★★) intégration terme à terme ; intégration par parties ; Intégration sur un intervalle quelconque
1) Énoncer l’intégration terme à terme sur un intervalle quelconque.
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2) Calculer {I_n=\int_0^\infty t^ne^{-t^2}dt}.
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3) Montrer que {L(x)=\int_0^\infty e^{tx}e^{-t^2}dt} est développable en série entière près de zéro, donner ses coefficients et la validité du développement. On admet {\int_{\mathbb{R}}e^{-t^2/2}dt=\sqrt{2\pi}}.
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Exercice 26. (★★★) primitives de séries entières ; produit de Cauchy ; rayon de convergence
Soit {(a_n)} réelle et {A_n=\sum\limits_{k=0}^na_k}.
1) Définir le produit de Cauchy de deux séries entières et minorer son rayon.
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2) Si {\sum\limits a_nx^n} a rayon un, montrer que {\sum\limits A_nx^n} a aussi rayon un ; la réciproque est-elle vraie ?
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3) Montrer que {\sum\limits a_nx^n/n!} et {\sum\limits A_nx^n/n!} ont même rayon.
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Exercice 27. (★★★★) rayon de convergence ; croissances comparées ; exponentielle complexe
1) Définir le rayon d’une série entière et décrire la convergence pour {|z|\lt R} et {|z|>R}.
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2) Montrer que le rayon de {\sum\limits\tan(n)z^n} est au plus un.

On admet qu’il existe {\mu>2} tel que {|1/\pi-p/q|>1/q^\mu} pour {p\in\mathbb{Z}}, {q\geq2}.

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3) Montrer que le rayon vaut un.
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Exercice 28. (★★★★) règle de d’Alembert ; dérivation terme à terme ; problème de Cauchy
1) Rappeler d’Alembert et montrer que {A_p=\sum\limits_{n\geq1}1/(n^p\binom{2n}n)} existe pour tout {p\in\mathbb{N}}.
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2) Donner le rayon de {S(x)=\sum\limits_{n\geq1}2^{2n-1}x^{2n}/(n^2\binom{2n}n)}.
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3) Montrer que {S(x)=(\arcsin x)^2} sur son intervalle de convergence ; calculer {A_0,A_1,A_2}.
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Exercice 29. (★★★★) comparaison somme-intégrale ; rayon de convergence ; équivalents
Soit {u_n} la somme des chiffres binaires de {n}, et {S(x)=\sum\limits_{n\geq0}u_nx^n}.
1) Pour {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+} continue décroissante, montrer que {\sum\limits f(n)} et {\int_0^\infty f} ont même nature.
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2) Donner le rayon {R} de {S} et relier {S(x^2),S(x)}.
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3) Exprimer {(1-x)S(x)} comme série et donner un équivalent de {S} en {R^-}.
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Exercice 30. (★★★★) lemme d’Abel ; rayon de convergence ; Polynômes et fractions rationnelles
Une suite est asymptotiquement périodique s’il existe {N\geq0}, {T\geq1} tels que {u_{n+T}=u_n} pour {n\geq N}.
1) Énoncer et démontrer le lemme d’Abel sur les séries entières.
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2) Pour une suite asymptotiquement périodique {(a_n)}, donner le rayon de {\sum\limits a_nz^n} et exprimer sa somme comme fraction rationnelle.
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3) Pour {b_0=1}, {b_{2n}=b_n}, {b_{2n+1}=-b_n}, montrer que {b} n’est pas asymptotiquement périodique.
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Exercice 31. (★★★★) unicité des coefficients ; développement de l’inverse ; Polynômes et fractions rationnelles
Soient {f(t)=(e^t-1)/t}, {g(t)=t/(e^t-1)}, prolongées en zéro.
1) Montrer que {f} est développable en série entière sur {\mathbb{R}} et que {f,g} sont {C^\infty}.
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2) On admet que l’inverse d’une fonction développable en série entière et non nulle en zéro l’est près de zéro.

Montrer l’existence et l’unicité de polynômes {P_n} tels que, pour un {\rho>0}, {\frac{te^{xt}}{e^t-1}=\sum_{n\geq0}\frac{P_n(x)}{n!}t^n, \quad x\in\mathbb{R},\quad0\lt |t|\lt \rho.}

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3) Démontrer le résultat admis.
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Exercice 32. (★★★★) problème de Cauchy ; Équations différentielles ; dérivation terme à terme
1) Énoncer Cauchy pour une équation linéaire scalaire d’ordre {n}.

Soit {(E):xy''+y'+xy=0}.

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2) Montrer que {F(x)=\pi^{-1}\int_0^\pi\cos(x\sin t)dt} est solution.
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3) Montrer l’existence d’une unique solution {J} développable en série entière près de zéro avec {J(0)=1}.
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4) Pour {p>1}, justifier et expliciter {\widehat J(p)=\int_0^\infty J(t)e^{-pt}dt}.
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5) Montrer qu’il existe une infinité de solutions sur {\mathbb{R}_+^\star} non développables en série entière près de zéro.
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PSI


Exercice 1. (★★★★) Raisonnement et ensembles ; Dérivation terme à terme ; Permutations
Python. Une permutation {\sigma} de {\left\{0,\ldots,n-1\right\}} est alternée si {(-1)^i(\sigma(i+1)-\sigma(i))>0} pour {0\leq i\leq n-2}. On note {a_n} leur nombre, avec {a_0=a_1=1}, et {u_n=a_n/n!}.
1) Calculer {a_2,a_3,a_4}.
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2) Tester si une permutation est alternée, estimer {u_n} par simulation et représenter les {u_n} pour {0\leq n\leq20}.
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3) Montrer que {\sum\limits u_nx^n} a un rayon au moins égal à {1}.

Pour {|t|\lt 1}, poser {f(t)=\sum_{n\geq0}u_{2n+1}t^{2n+1},\qquad g(t)=\sum_{n\geq0}u_{2n}t^{2n}.}Comparer graphiquement {f+g} à {\tan t+1/\cos t} et conjecturer.

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4) On admet, pour {n\geq1}, {(n+1)u_{n+1}=\sum_{k=0}^{\lfloor(n-1)/2\rfloor} u_{2k+1}u_{n-(2k+1)}.}Montrer que {f'=1+f^2} et {g'=gf}, puis prouver la conjecture.
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5) Prouver la récurrence admise.
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Exercice 2. (★★★) Rayon de convergence ; Produit de Cauchy ; Relations de récurrence
Python. Les points {A_0,\ldots,A_{n-1}} ont pour affixes les racines {n}-ièmes de l’unité. On compte les sous-ensembles de segments {[A_iA_j]}, {i\lt j}, dont les extrémités sont toutes distinctes. Leur nombre est {M_n}, avec {M_0=1}; par exemple {M_3=4}.
1) Calculer {M_4} et {M_5}.
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2) Montrer que {M_{n+1}=M_n+\sum\limits_{k=0}^{n-1}M_kM_{n-1-k}}.
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3) Programmer les premiers termes et vérifier {M_n\leq3^n}.
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4) Montrer que {M(z)=\sum\limits_{n\geq0}M_nz^n} a un rayon {R\geq1/3}.
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5) Montrer que {M=1+zM+z^2M^2}, en déduire une expression de {M} et vérifier avec Python.
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Exercice 3. (★★★★) Développement en série entière ; Formules de Taylor ; Formule de Leibniz
Soit {f\in C^\infty(]-A,A[)}, {A>0}, telle que {f^{(n)}\geq0} pour tout {n\in\mathbb{N}}.
1) Montrer que {f} est développable en série entière.
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2) Montrer que {\exp\circ f} l’est aussi.
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Exercice 4. (★★★) Comparaison série-intégrale ; Dérivation terme à terme ; Rayon de convergence
Soit {f(x)=\sum\limits_{n\geq0}\cos(n^2x)e^{-n}}.
1) Montrer que {f} est {C^\infty} et exprimer {f^{(4p)}(0)}.
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2) Montrer {\int_0^{8p}t^{8p}e^{-t}dt\leq\sum\limits_{n=0}^{8p}n^{8p}e^{-n}} et {\int_{8p}^\infty t^{8p}e^{-t}dt\leq\sum\limits_{n=8p}^\infty n^{8p}e^{-n}}.
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3) Montrer que {\sum\limits_{p\geq1}f^{(4p)}(0)r^{4p}/(4p)!} diverge pour tout {r>0}.
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4) En déduire que {f} n’est pas développable en série entière en zéro.
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Exercice 5. (★★) rayon de convergence ; développements usuels ; racines de l’unité
a) Définir le rayon de convergence d’une série entière et montrer que celui de {\sum\limits_{n\ge1}n^\alpha z^n} vaut {1}.
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b) Donner rayon et somme de {f(z)=\sum\limits_{n\ge0}n^{(-1)^n}z^n}.
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c) Même question pour {g(z)=\sum\limits_{n\ge0}z^{3n}/(3n)!}.
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Exercice 6. (★★) rayon de convergence ; produit de Cauchy ; séries alternées
Soit {H_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k}.
a) Montrer la convergence de {\sum\limits_{k\ge1}(-1)^kH_k/(k+1)}.
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b) Développer {f(x)=\log(1-x)/(1-x)} en série entière, donner les coefficients et le rayon.
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Exercice 7. (★★) rayon de convergence ; dérivation terme à terme ; continuité au bord
a) Donner le rayon {R} de {\sum\limits_{n\ge1}z^n/n^2}.
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b) Pour {|x|\lt R}, montrer {\sum\limits_{n\ge1}x^n/n^2=\int_{1-x}^1\log t/(t-1)dt}.
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c) Que se passe-t-il en {x=1} ?
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Exercice 8. (★★★) rayon de convergence ; Séries, familles sommables ; sommation par parties
Pour {\alpha>0}, poser {v_n=-\alpha\log n+\sum\limits_{k=1}^n\log(1+\alpha/k)} et {a_n=n!/\prod\limits_{i=1}^n(\alpha+i)}.
a) Donner le rayon de {\sum\limits a_nz^n}.
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b) Montrer que {\sum\limits(v_{n+1}-v_n)} converge.
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c) Montrer {a_n\sim\lambda n^{-\alpha}} avec {\lambda>0}.
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d) Étudier la convergence sur le cercle du rayon.
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Exercice 9. (★★★) rayon de convergence ; Séries, familles sommables ; sommation par paquets
Pour {n,p\ge0}, poser {u_{n,p}(x)=(-1)^p(2p+2)^nx^n/((2p+1)!n!)}.
a) Montrer la sommabilité de cette famille, donner le rayon et la somme de {u(x)=\sum\limits_{n\ge0}a_nx^n/n!}, où {a_n=\sum\limits_{p\ge0}(-1)^p(2p+2)^n/(2p+1)!}.
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b) Montrer que {\int_0^\infty e^{-t}u(t)dt} est bien définie.
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Exercice 10. (★★★) rayon de convergence ; dérivation terme à terme ; équations du premier ordre
Soient {a_n=1/\binom{2n}n} et {f(x)=\sum\limits_{n\ge0}a_nx^n}.
a) Montrer {(4n+2)a_{n+1}=(n+1)a_n}.
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b) Donner son rayon {R}.
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c) Vérifier {x(4-x)f'-(x+2)f=-2} pour {|x|\lt R}.
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d) Donner une primitive de {\sqrt{4-x}/(x\sqrt x)} sur {]0,4[}.
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e) Décomposer {(x+2)/(x(4-x))} en {a/x+b/(4-x)}.
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f) Calculer {f(1)}.
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Exercice 11. (★★) développement binomial ; rayon de convergence ; fonctions réciproques
Soit {g:x\mapsto x-x^2} sur {\mathbb{R}}.
1) Déterminer le plus grand intervalle {I} contenant zéro tel que {g_{|I}} soit injective.
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2) On pose {J=g(I)} et {f} la réciproque de {g_{|I}}.

Déterminer {f}.

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3) Montrer que {f} admet un développement en série entière au voisinage de zéro et l’expliciter.
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Exercice 12. (★★) produit scalaire intégral ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration par parties
Soit {E} l’ensemble des fonctions {f\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})} telles que {\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)^2e^{-x^2}\,dx} converge.
1) Montrer que {E} est un espace vectoriel réel, puis que {\Phi(f,g)=\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)g(x)e^{-x^2}\,dx}est bien définie et est un produit scalaire sur {E}.
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2) Calculer {I_n=\int_{-\infty}^{+\infty}x^ne^{-x^2}\,dx} pour {n\in\mathbb{N}}. On donne {I_0=\sqrt\pi}.
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3) Montrer que {F(z)=\int_{-\infty}^{+\infty}e^{zx-x^2}\,dx}, {z\in\mathbb{C}}, est développable en série entière au voisinage de zéro et donner son développement.
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Exercice 13. (★★) rayon de convergence ; limite d’une somme ; dérivation terme à terme
Soit {(u_n)} une suite complexe bornée et {s_n=\sum\limits_{k=0}^nu_k}.
1) Déterminer les rayons de convergence de {U(x)=\sum\limits_{k=0}^{+\infty}u_kx^k/k!} et {S(x)=\sum\limits_{k=0}^{+\infty}s_kx^k/k!}.
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2) Trouver une relation entre {U',S'} et {S}.
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3) Si {s_n\to0}, montrer que {e^{-x}S(x)\to0} quand {x\to+\infty}.
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4) Si {s_n\to\ell\in\mathbb{C}}, déterminer la limite de {e^{-x}S(x)}.
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PC


Exercice 1. (★★) Degré ; Dérivation terme à terme ; Intégrabilité
(Python) Soient {H_0=1}, {H_1=X} et {2H_{n+1}-2XH_n=-nH_{n-1}} pour {n\geq1}. Sur les fonctions continues de carré intégrable, poser {\langle f,g\rangle=\int_{\mathbb{R}}fg} et {\psi_n(x)=e^{-x^2/2}H_n(x)}.
a) Donner degré et coefficient dominant de {H_n}.
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b) Montrer que {\psi_n} est de carré intégrable.
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c), d) c) Programmer H(n) et normes(n).

d) Observer {2\lVert \psi_{k+1}\rVert^2/\lVert \psi_k\rVert^2} pour {0\leq k\leq9}. On donne {\int_{\mathbb{R}}e^{-x^2}\,dx=\sqrt\pi} et on admet la conjecture.

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e) Donner la valeur exacte de {\lVert \psi_k\rVert^2}.
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f) Pour {f_x(t)=\sum\limits_{k\geq0}2^kH_k(x)t^k/k!}, de rayon supposé positif, trouver une équation différentielle du premier ordre.
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Exercice 2. (★★★) Rayon de convergence ; Dérivation terme à terme ; Produit de Cauchy
(Python) Soient {u_0=u_1=1} et {u_{n+2}=u_{n+1}+2u_n/(n+2)}.
a) Montrer que {1\leq u_n\leq n^2} pour {n\geq1} ; donner le rayon de {\sum\limits u_nx^n}.
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b) Tracer les termes jusqu’à {100} et conjecturer un équivalent.
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c) Calculer {S(x)=\sum\limits_{n\geq0}u_nx^n}.
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d) En déduire une expression de {u_n}.
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Exercice 3. (★) Rayon de convergence ; Convergence normale ; Limite au bord
Soit {(a_n)} bornée et {f(x)=\sum\limits_{n\geq0}a_nx^n}.
a) Que dire du rayon ?
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b) Si {a_n\geq0} et {\sum\limits a_n} converge, montrer que {f(1^-)=\sum\limits a_n}.
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c) Si {a_n\geq0} et {\sum\limits a_n} diverge, montrer que {f(1^-)=+\infty}.
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Exercice 4. (★★) Rayon de convergence ; Suites récurrentes
Soient {a\in\mathbb{R}}, {u_0,v_0\ne0} et {u_{n+1}=u_n-v_n}, {v_{n+1}=u_n-av_n}.

Montrer que {\sum\limits u_nz^n} et {\sum\limits v_nz^n} ont des rayons non nuls et égaux.

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Exercice 5. (★★★) Convergence normale ; Identification des coefficients ; Continuité de la somme
Soit {-1\lt q\lt 1} et {S_n(x)=\prod\limits_{k=0}^n(1+xq^k)/(1-xq^k)}.
a) Montrer la convergence simple sur {]-1,1[}.
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b) Construire une fonction continue non nulle satisfaisant {f(x)=(1+x)f(qx)/(1-x)}.
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c) Montrer que toute fonction continue satisfaisant cette relation est développable en série entière et donner ses coefficients en fonction de {f(0)}.
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Exercice 6. (★★) Raisonnement et ensembles ; Produit de Cauchy ; Permutations
Soit {I_n} le nombre d’involutions de {\left\{1,\ldots,n\right\}}.
a) Trouver une récurrence d’ordre {2}.
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b) Montrer que {\sum\limits I_nx^n/n!} a un rayon positif.
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c) En déduire {I_n=(d^n/dx^n)e^{x+x^2/2}|_{x=0}}.
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Exercice 7. (★★★) Rayon de convergence ; Dérivation terme à terme ; Calcul polynomial
Pour {p\in\mathbb{N}}, poser {f_p(x)=\sum\limits_{n\geq0}n^px^n/n!}.
a) Montrer que le rayon est infini.
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b) Calculer {f_0,f_1,f_2}.
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c) Montrer que {f_p=P_pe^x} avec {P_p\in\mathbb{Z}[X]}.
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d) Donner un équivalent de {f_p} en {+\infty}.
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e) Montrer que {\sum\limits_{p\geq0}P_p(x)t^p/p!=e^{x(e^t-1)}} pour {x,t} réels.
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Exercice 8. (★★) Rayon de convergence ; Identification des coefficients ; Développements usuels
Développer en série entière en {0} la fonction {f(x)=\arcsin x/\sqrt{1-x^2}}.
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Exercice 9. (★★) Rayon de convergence ; Produit de Cauchy ; Équivalents
Soient {f(x)=\sum\limits_{n\geq1}\ln(n)x^n} et {g(x)=\sum\limits_{n\geq1}(\sum\limits_{k=1}^n1/k)x^n}.
a) Donner les rayons.
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b) Calculer {\lim_{x\to1^-}f(x)}.
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c) Montrer que {|f(x)-g(x)|\leq1/(1-|x|)}, puis donner un équivalent simple de {f} en {1^-}.
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Exercice 10. (★★) Rayon de convergence ; Formule de Stirling ; Dérivation terme à terme
(Python) Soient {c_0=1} et {c_{n+1}=(4n+2)c_n/(n+2)}.
a) Donner le rayon de {\sum\limits c_nx^n}.
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b) Exprimer {c_n} avec des factorielles.
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c), d) c) Programmer {u_{100k}} pour {1\leq k\leq100}, où {u_n=16^n/(n^3c_n^2)}, et conjecturer sa limite.

d) Démontrer la conjecture.

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e) Donner une équation différentielle pour {f(x)=\sum\limits c_nx^n}.
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f) Résoudre cette équation.
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Exercice 11. (★★★) Convergence normale ; Identification des coefficients ; Continuité
Soit {0\lt q\lt 1}.
a) Montrer l’existence d’une unique fonction continue {f} sur {[-1,1]} telle que {f(x)=(1-qx)f(qx)} et {f(0)=1}.
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b) Montrer qu’elle est somme d’une série entière.
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Exercice 12. (★★★) Dérivation sous l'intégrale ; Intégration terme à terme ; Limites
(Python) Soit {H(t)=\pi^{-1}\int_0^\pi\cos(t\cos u)\,du}.
a) Montrer qu’elle est définie sur {\mathbb{R}}.
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b) Montrer qu’elle est {C^2} et exprimer ses dérivées.
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c) Programmer H(t), tracer sur {[0,100]} et conjecturer la limite.
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d) Montrer que {tH''+H'+tH=0}.
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e), f) e) Montrer qu’elle est développable en série entière.

f) Calculer {W_n=\int_0^\pi\cos^{2n}u\,du} et les coefficients de {H}.

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g) Prouver la limite conjecturée.
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Exercice 13. (★★) Recherche de solutions en série ; Second ordre à coefficients constants ; Changement de fonction inconnue
Soit {\omega\ne0} et {(E):xy''+2y'+\omega^2xy=0} sur {\mathbb{R}_+^\star}.
a) Déterminer les solutions développables en série entière en {0}.
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b) Résoudre {(E)} sur {\mathbb{R}_+^\star}.
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Exercice 14. (★★★★) Recherche de solutions en série ; Dérivation terme à terme ; Unicité
Déterminer les fonctions deux fois dérivables {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}} telles que {f(0)=1} et {xf''+4f'+3x^3f=0}.
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Exercice 15. (★★★★) Identification des coefficients ; Dérivabilité ; Limites
(Python) Étudier {xx'+x=t^2}, avec {x\in C^1(\mathbb{R})}, {x(0)=0}, {x'(0)=\mu}.
a) Calculer {\lim_{t\to0}x(t)/t} et en déduire que {\mu=0} ou {\mu=-1}.
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b) Sous l’hypothèse d’une solution développable en série entière, donner une récurrence pour ses coefficients {a_n}.
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c) Programmer {\mathrm{liste}(\mu,n)}, puis tracer, {b_n=n|a_n+1/a_n|} pour {n>1} ; conjecturer.
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d) Prouver cette conjecture.
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Exercice 16. (★★) Recherche de solutions en série ; Second ordre à coefficients constants ; Prolongement par continuité
Soit {\omega\ne0} et {(E):xy''+2y'+\omega^2xy=0}.
a) Déterminer les solutions développables en série entière.
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b) Résoudre sur {\mathbb{R}_+^\star}, puis sur {\mathbb{R}}.
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Exercice 17. (★★) Dérivation terme à terme ; Convergence absolue ; Sommes géométriques
Pour {x\in\mathbb{R}}, {|t|\lt 1}, soit {f(x,t)=\sum\limits_{n\geq1}\cos(2nx)t^n/n}.

Justifier sa définition et calculer sa somme avec des fonctions usuelles.

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Exercice 18. (★★) Convergence au bord ; Combinaisons ; Développements usuels
Soit {p_n} le nombre de {(n+1)}-uplets d’entiers naturels {(a_1,\ldots,a_{n+1})} de somme {n}. Admettant d’abord {p_n=\binom{2n}{n}}, étudier et sommer {\sum\limits(p_n/4^n)x^n}, puis démontrer la formule admise.
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Exercice 19. (★★★) Rayon de convergence ; Convergence au bord ; Premier ordre
Posons {a_n=\binom{2n}{n}^{-1}} et {f(x)=\sum\limits_{n\geq0}a_nx^n}.

Déterminer son rayon {R}. En utilisant {x(x-4)y'+(x+2)y=2} sur {]0,4[}, exprimer {f} avec des fonctions usuelles.

Étudier la convergence en {R} et {-R}.

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Exercice 20. (★★) Convergence dominée ; Développements usuels ; Intégration terme à terme
Tracer la fonction {x\mapsto\arcsin(\sin x)}, développer {\arcsin x} en série entière et calculer {S=\sum_{n\geq0}\frac{\binom{2n}{n}}{2^{2n}(2n+1)} \int_0^{\pi/2}\sin^{2n+1}x\,dx.}
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Exercice 21. (★★) rayon de convergence ; Équations différentielles ; premier ordre
a) À l’aide d’une équation différentielle, développer {f(x)=\arcsin x/\sqrt{1-x^2}} en série entière.
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b) Donner le rayon et étudier la convergence aux deux bornes.
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Exercice 22. (★★) permutations ; produit de Cauchy ; équivalents
Soit {D_n} le nombre de permutations de {\left\{1,\ldots,n\right\}} sans point fixe.
a) Montrer {n!=\sum\limits_{k=0}^n\binom nkD_k}.
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b) Montrer que le rayon de {f(x)=\sum\limits D_nx^n/n!} est au moins {1}.
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c) Calculer {f(x)e^x}.
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d) Exprimer {D_n} par une somme et donner un équivalent.
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Exercice 23. (★★★) rayon de convergence ; convergence ; continuité de la somme
a) Pour {u_n\to0}, montrer {n^{-1}\sum\limits_{k=0}^{n-1}u_k\to0}. Soit {na_n\to0} et {F(x)=\sum\limits_{n\ge0}a_nx^n}.
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b) Montrer que {F} est définie sur {]-1,1[}.
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c) Si {\sum\limits a_n=\ell}, montrer {F(x)\to\ell} en {1^-}.
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d) Est-ce encore vrai si {(na_n)} est seulement bornée ?
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Exercice 24. (★★★★) dérivation terme à terme ; rayon de convergence ; régularité de classe Ck
Pour {n\in\mathbb{N}}, poser {J_n(x)=\pi^{-1}\int_0^\pi\cos(nt-x\sin t)dt}.
a) Montrer {J_n\in C^2}.
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b) Trouver une équation différentielle satisfaite par {J_n}.
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c) Déterminer les solutions développables en série entière en {0}.
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Exercice 25. (★★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; rayon de convergence ; convergence uniforme
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}(-1)^{n-1}n/(x^2+n^2)}.
1) Déterminer son domaine de définition et étudier sa continuité.
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2) Pour {x\in\mathbb{R}} et {\alpha>0}, justifier l’existence de {I_\alpha=\int_0^{+\infty}\cos(xt)e^{-\alpha t}\,dt} et le calculer.
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3) La fonction {f} est-elle développable en série entière ?
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Exercice 26. (★★★) rayon de convergence ; convergence absolue ; Équations différentielles
On pose {S_n=\sum\limits_{k=1}^n1/k} (avec {S_0=0}) et {f(x)=\sum\limits_{n=0}^{+\infty}S_nx^n/n!}.
1) Donner le rayon de convergence.
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2) Pour {v_n=S_n-\ln n}, {n\geq1}, montrer que {\sum\limits(v_{n+1}-v_n)} converge.
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3) Donner une équation différentielle vérifiée par {f}.
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4) Pour {x>0}, exprimer {f(x)} à l’aide de {\int_0^xe^{-t}\ln t\,dt}.
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Exercice 27. (★★) rayon de convergence ; Intégration sur un segment ; sommes et produits
1) Pour {n\geq1} et {t\in\mathbb{R}}, calculer {\sum\limits_{k=1}^n\sin((2k-1)t)}.
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2) Justifier l’existence de {I_n=\int_0^{\pi/2}\sin^2(nt)/\sin t\,dt}.
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3) Déterminer le rayon de convergence de {\sum\limits I_nx^n}.
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Exercice 28. (★★★★) rayon de convergence ; Intégration sur un intervalle quelconque ; intégration terme à terme
Soit {a_0=1} et, pour {n\geq1}, {a_n=\frac1{n!}\int_0^1t(t-1)\cdots(t-n+1)\,dt.}Déterminer le rayon de convergence et la somme de {\sum\limits_{n=0}^{+\infty}a_nx^n}.
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Exercice 29. (★★) rayon de convergence ; convergence uniforme ; produit de Cauchy
Soit {f(x)=\sum\limits_{n=1}^{+\infty}(-1)^n\ln(n)x^n}.
1) Déterminer le rayon de convergence.
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2) Pour {g(x)=(1+x)f(x)} sur {]-1,1[}, expliciter son développement en série entière et son rayon.
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3) Montrer que la série définissant {g} converge uniformément sur {[0,1]}.
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Exercice 30. (★★★★) dérivation terme à terme ; rayon de convergence ; positivité et majorations
Soit {\lambda\in]-1,1[}. On cherche les {f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{R})} telles que {f'(x)=f(x)+f(\lambda x)}.
1) Déterminer les solutions développables en série entière.
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2) Déterminer toutes les solutions.
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Exercice 31. (★★★★) rayon de convergence ; degré ; dérivation terme à terme
1) Déterminer les {m\in\left\{0,1,2,3,4\right\}} pour lesquels {xy''+(x-4)y'-3y=x^m} admet une solution polynomiale.
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2) Déterminer les solutions développables en série entière au voisinage de zéro de {xy''+(x-4)y'-3y=0}.
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Exercice 32. (★★★) intégration terme à terme ; dérivation sous l’intégrale ; dérivation terme à terme
Soit {f(x)=\int_0^{\pi/2}\cos(x\sin t)\,dt}.
1) Montrer que {f\in C^2(\mathbb{R})} et que {xf''+f'+xf=0}.
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2) Trouver les solutions de {xy''+y'+xy=0} développables en série entière sur {\mathbb{R}}.
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3) Montrer que {f} est développable en série entière sur {\mathbb{R}}.
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4) En déduire {\int_0^{\pi/2}\sin^nt\,dt} pour tout entier naturel {n}.
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Exercice 33. (★★) rayon de convergence ; coefficients binomiaux ; loi binomiale
On lance deux pièces équilibrées {n} fois. Soit {A_n} l’événement « on obtient autant de pile que de face après le {n}-ième lancer », et {p_n=\mathbb{P}(A_n)}.
1) Montrer {\sum\limits_{k=0}^n\binom nk^2=\binom{2n}n}.
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2) Déterminer {p_n}.
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3) Déterminer le rayon de convergence et le domaine de définition de {\sum\limits p_nx^n}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.