Séries entières — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « séries entières », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★★) Développement en série entière ; Valeurs intermédiaires ; Domination
Soit {f} développable en série entière sur un disque centré en {0}, et {p\ge1}.

Si {f(z)=O(z^p)} à l’origine, montrer que, pour tout {r>0} assez petit, il existe au moins {2p} nombres distincts {z} de module {r} tels que {f(z)\in\mathbb{R}}.

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Exercice 2. (★★★★) Théorème de Rolle ; Formule de Stirling ; Dérivation terme à terme
Soit {f(x)=\sum\limits_{k\ge0}a_kx^k}, avec {\sum\limits_{k\ge0}|a_k|2^k=M\lt \infty}.
1) Montrer que {|f^{(n)}(x)|/n!\le M} pour {n\ge0}, {x\in[-1,1]}.
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2) Si {f(k/n)=0} pour {k=-n,\ldots,n}, montrer qu’il existe une constante absolue {C} telle que {|f(x)|\le CM(2/e)^n} sur {[-1,1]}.
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Exercice 3. (★★★★) Rayon de convergence ; Interpolation ; Suites bornées
Soient {\alpha_1,\ldots,\alpha_n} distincts dans {(-1,1)\setminus\left\{0\right\}} et {\beta_1,\ldots,\beta_n\in\mathbb{R}}.

Montrer qu’il existe une suite bornée d’entiers {(c_k)} telle que {f(t)=\sum\limits_{k\ge0}c_kt^k} vérifie {f(\alpha_i)=\beta_i}.

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Exercice 4. (★★★) Convergence dominée ; Produit de Cauchy ; Partitions
Pour {|x|\lt 1}, posons {P_n(x)=\prod\limits_{k=1}^n(1-x^k)^{-1}}.
1) Montrer la convergence vers une limite {P(x)}.
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2) Montrer que {P(x)=\sum\limits_{n\ge0}c_nx^n} sur {(-1,1)}.
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3) Interpréter les {c_n}.
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4) Montrer que {\ln P(x)\sim(1-x)^{-1}\sum\limits_{j\ge1}j^{-2}} quand {x\to1^-}.
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Exercice 5. (★★★★) Écriture binaire ; Coefficients ; Produit de Cauchy
Soit {f(x)=\sum\limits_{j=0}^\infty x^{2^j}}.
1) Déterminer son domaine réel.
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2) Si {f(x)^k=\sum\limits_{n\ge1}a_{n,k}x^n}, montrer que tout {n\ge1} a un coefficient {a_{n,k}\ne0} pour au moins un {k}.
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3) Montrer que {a_{n,k}\le(1+\log_2n)^k}.
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4) Pour {p,m\ge1}, {1\le k\le p}, posons {N=(2^p-1)2^m}.

Pour {N-2^m+1\le n\le N+2^m-1}, montrer que {a_{n,k}=p!} si {(n,k)=(N,p)}, et {0} sinon.

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Exercice 6. (★★★★) Rayon de convergence ; Formule de Stirling ; Intégration terme à terme
Soient {(a_n)} complexes, {C>0}, et {f(z)=\sum\limits_{n\ge0}a_nz^n/n!}, de rayon {R}.

Montrer l’équivalence entre :

1) pour tout {\varepsilon>0}, {|a_n|\le(C+\varepsilon)^n} pour {n} assez grand ;

2) {R=\infty} et, pour tout {\varepsilon>0}, {|f(z)|\le e^{(C+\varepsilon)|z|}} pour {|z|} assez grand.

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Exercice 7. (★★★★) Rayon de convergence ; Comparaison ; Récurrences linéaires du second ordre
Soit {a_0,a_1>0} et {a_{n+2}=\frac{n+4}{n+1}a_{n+1}+\frac{3n+7}{n+2}a_n\quad(n\ge0).}
a) Montrer que le rayon de convergence de {\sum\limits a_nx^n} est positif.

b) Déterminer ce rayon.

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Exercice 8. (★★★★) Dérivation terme à terme ; Sommation par paquets ; Équivalents
Pour {x} réel, poser {f(x)=\sum\limits_{n\ge1}x^n/(1-x^n)} lorsque la série converge.
a) Déterminer son domaine.
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b) Étudier sa continuité et sa dérivabilité.
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c) Donner un équivalent simple en {1^-}.
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d) Donner son développement en série entière.
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Exercice 9. (★★★★) Racines ; Valeurs intermédiaires ; Premier coefficient non nul
a) Soit {f} somme d’une série entière près de {0\in\mathbb{C}}, avec {f(z)=O(z^k)}, {k\ge1}.

Montrer que, pour {r>0} assez petit, au moins {2k} points distincts {|z|=r} vérifient {f(z)\in\mathbb{R}}.

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b) Soient {A,B\in\mathbb{R}[X]} dont toute combinaison linéaire réelle est scindée sur {\mathbb{R}} ou nulle.

Si {x\lt y} sont deux racines de {A}, montrer que {[x,y]} contient une racine de {B}.

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Exercice 10. (★★★) Intégration sur un intervalle quelconque ; Dérivation ; Intégration terme à terme
Soit {f(z)=\sum\limits_{n\ge0}a_nz^n} de rayon {1}. Supposer {\int_0^{2\pi}|f'(re^{i\theta})|d\theta\le C} pour {0\le r\lt 1}.

Montrer que {\int_0^1|f(t)|dt\lt \infty}.

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Exercice 11. (★★★) Développement de l'exponentielle ; Formule de Leibniz ; Parité
Soit {P=a_1X+\cdots+a_dX^d\in\mathbb{Z}[X]}, avec {a_1} impair.
a) Montrer qu’il existe {(b_k)} réels telle que {e^{P(x)}=\sum\limits_{k\ge0}b_kx^k} pour tout {x\in\mathbb{R}}.

b) Montrer que tous les {b_k} sont non nuls.

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Exercice 12. (★★★★) Rayon de convergence ; Convergence absolue ; Passage à la limite dans une somme
Pour {0\lt x,q\lt 1}, poser {(x,q)_n=\prod\limits_{k=0}^{n-1}(1-q^kx)}.
a) Montrer que {(x,q)_n\to(x,q)_\infty>0}.
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b) Déterminer le rayon de {f_{x,q}(z)=\sum\limits_{n\ge0}(x,q)_nz^n/(q,q)_n}.

Noter {D} son disque de convergence.

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c) Montrer {f_{x,q}(z)-f_{x,q}(qz)=(1-x)zf_{xq,q}(z)}.
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d) Montrer {f_{x,q}(z)=((1-xz)/(1-z))f_{x,q}(qz)}.
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e) En déduire {f_{x,q}(z)=(zx,q)_\infty/(z,q)_\infty}.
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f) Pour {\alpha>0}, déterminer {\lim_{q\uparrow1}f_{q^\alpha,q}(z)}.
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Exercice 13. (★) Série géométrique ; Dérivation terme à terme
Calculer la somme de la série de terme général {n^2,2^{-(n+1)}}.
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Exercice 14. (★★) Rayon de convergence ; Convergence absolue ; Divergence grossière
Soit {\sum\limits_{n\ge0}a_nz^n} une série entière dont le rayon de convergence appartient à {]0,+\infty[}.

Déterminer le rayon de convergence de {\sum\limits_{n\ge0}a_nz^{n^2}}.

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Exercice 15. (★★) Série géométrique ; Dérivation terme à terme ; Module
Pour {0\lt r\lt 1} et {\theta\in\mathbb{R}}, montrer que {\log|1-re^{i\theta}|=-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{r^n}{n}\cos(n\theta).}
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Exercice 16. (★★★★) Rayon de convergence ; Équations différentielles ; Produit de Cauchy
Soit {L_0=L_1=1}, {L_{-1}=0}, et pour {n\ge1}, {L_{n+1}=(n+1)L_n-\binom n2L_{n-2}.}Posons {f(x)=\sum\limits_{n\ge0}(L_n/n!)x^n}.
1) Montrer que le rayon de convergence est strictement positif.
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2) Montrer que {L_n/n!\to0}.
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3) Déterminer {f} à l’aide d’une équation différentielle.
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4) Donner un équivalent de {L_n/n!}.
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Exercice 17. (★★★★) Intégration terme à terme ; Convergence uniforme ; Produit de Cauchy
Pour {n\ge2}, posons {g_n=\sum\limits_{k=0}^n4^{-2k}\binom{2k}{k}^2} et soit {K_n} le polynôme de Taylor de degré {n} de {(1-x)^{-1/2}} en {0}.
1) Montrer que {(2\pi)^{-1}\int_0^{2\pi}|K_n(e^{i\theta})|^2d\theta=g_n}.
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2) Si {f(z)=\sum\limits_{k\ge0}a_kz^k} a un rayon au moins {1} et {|f(z)|\le1} pour {|z|\lt 1}, montrer que {|\sum\limits_{k=0}^na_k|\le g_n}.
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Exercice 18. (★★★★) Racines et multiplicités ; Théorème de Rolle ; Valeurs intermédiaires
On admet le résultat suivant : si {f} est développable en série entière près de {c\in\mathbb{C}} et {f(z)=O((z-c)^k)}, il existe un cercle de centre {c} sur lequel {f} prend une valeur réelle en au moins {2k} points distincts.
a) Soient {A,B\in\mathbb{R}[X]\setminus\left\{0\right\}} tels que tous les polynômes non nuls de leur espace engendré soient scindés sur {\mathbb{R}}.

Montrer qu’entre deux racines de {A}, au sens large, il y a une racine de {B}.

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b) Démontrer le résultat admis.
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Exercice 19. (★★★★★) Rayon de convergence ; Décomposition des noyaux ; Interpolation
* a) Soit {\sum\limits_na_nz^n} de rayon {R>0}.

Montrer que {\sum\limits_na_nM^n} converge si toutes les valeurs propres de {M} ont module strictement inférieur à {R}.

b) Existe-t-il une telle série qui diverge pour toute matrice de spectre dans le disque fermé de rayon {R} ayant une valeur propre sur son bord ?

c) Existe-t-il une telle série qui converge pour toutes ces matrices ?

d) Soit {f(z)=\sum\limits_{n\ge0}a_nz^n}. On rappelle que {f^{(k)}(z)=\sum\limits_{n\ge k}n(n-1)\cdots(n-k+1)a_nz^{n-k}}.

Si {\chi_M=\prod\limits_i(X-\lambda_i)^{\alpha_i}} avec {|\lambda_i|\lt R} :

i) montrer qu’il existe un polynôme {P} tel que {P^{(k)}(\lambda_i)=f^{(k)}(\lambda_i)} pour {0\le k\lt \alpha_i} ;

ii) montrer {f(M)=P(M)} si {M} est diagonalisable ;

iii) est-ce encore vrai sans diagonalisabilité ?

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Exercice 20. (★★★★★) Fonctions d’une variable réelle ; Dérivation terme à terme ; Convergence normale
Pour {x\notin\mathbb{Z}}, posons {f_n(x)=\pi\cot(\pi x)-\sum\limits_{k=-n}^n1/(x+k)}.
a) Montrer que {f_n} a une limite {f} prolongeable continûment sur {\mathbb{R}}.
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b) Montrer que ce prolongement est {C^1} et {4f'(x)=f'(x/2)+f'((x+1)/2)}.
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c) En déduire {f=0}.
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d) Montrer que {g(x)=x/(e^x-1)} est développable près de zéro et que {g(x)-1+x/2} est paire ; écrire {g(x)=1-x/2+\sum\limits_{n\ge1}a_nx^{2n}}.
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e) Exprimer {\zeta(2n)} en fonction de {a_n}. Indication : considérer {g(ix)}.
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Exercice 21. (★★★★) Polynômes et fractions rationnelles ; Pôles ; Intégration terme à terme
Soient {\theta>1} et {P\in\mathbb{Z}[X]} unitaire, de degré {n\ge1}, dont {\theta} est racine simple, les autres racines ayant module strictement inférieur à un, et {1/\theta} n’étant pas racine. Posons {Q=X^nP(1/X)}.
a) Montrer que {f=P/Q} a un développement {\sum\limits_{j\ge0}b_jz^j} de rayon {1/\theta}.
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b) Montrer que {g(z)=(1-\theta z)f(z)=\sum\limits_{j\ge0}c_jz^j} a rayon supérieur à un ; montrer {b_j\in\mathbb{Z}} et établir l’identité de Parseval {\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}|g(e^{it})|^2dt=\sum\limits_j|c_j|^2}.
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c) Montrer {1+\theta^2=b_0^2+\sum\limits_{j\ge1}(b_j-\theta b_{j-1})^2}.
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d) Si {P(0)>0}, montrer que {(b_j)} est croissante.
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PSI


Exercice 1. (★) Dérivation terme à terme ; Série géométrique
Montrer que la série de terme général {(2n^2+3n+1)/2^n} converge et calculer sa somme.
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Exercice 2. (★★) Série géométrique ; Intégrabilité ; Intégration terme à terme
Soit {h(x)=\int_{-\infty}^x\frac{dt}{1+t^2+t^4}}.

Montrer que {h} est définie sur {\mathbb{R}} et développable en série entière au voisinage de {0}.

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PC


Exercice 1. (★★) Rayon de convergence ; Polynômes et fractions rationnelles ; Développement de l'exponentielle
Pour {P\in\mathbb{C}[X]}, déterminer le rayon de {\sum\limits_{n\geq0}P(n)x^n/n!}.

Montrer que sa somme vaut {Q(x)e^x} pour un polynôme {Q}.

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Exercice 2. (★★★★) Rayon de convergence ; Équivalents
Déterminer le domaine réel et un équivalent en {1^-} de {f(x)=\sum\limits_{k\geq0}x^{2^k}}.
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Exercice 3. (★★★) développements limités ; développement en série entière ; croissances comparées
Pour {a,b>0} et {x>0}, poser {f(x)=((a^x+b^x)/2)^{1/x}}.

Déterminer ses limites en zéro et à l’infini, puis la régularité de son prolongement en zéro.

Pour {g(x)=f(1/x)}, trouver {h} tel que {g(x)-h(x)=o(x^n)} en zéro à droite pour tout {n\in\mathbb{N}}.

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Exercice 4. (★★) rayon de convergence ; majoration des coefficients
Soit {a_{n+2}=\frac{n+3}{n+2}a_{n+1}+\frac{3n+7}{n+1}a_n}.

Montrer que le rayon de convergence de {\sum\limits a_nz^n} est strictement positif et en donner un minorant.

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Exercice 5. (★★★★) Séries, familles sommables ; limite au bord du disque ; sommes partielles
Pour une suite réelle {(a_n)}, poser {s_n=\sum\limits_{j=0}^na_j} et {\sigma_n=(n+1)^{-1}\sum\limits_{k=0}^ns_k}.

Comparer les assertions : (i) {(\sigma_n)} converge ;

(ii) {\sum\limits a_nx^n} a un rayon au moins égal à {1} et admet une limite finie lorsque {x\to1^-}.

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Exercice 6. (★★★★) limite au bord du disque ; majoration des restes ; valeurs d'adhérence
Étudier la limite de {f(x)=\sum\limits_{k=0}^\infty(-1)^kx^{k!}} quand {x\to1^-}.
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Exercice 7. (★★★) développement en série entière ; permutation de sommes ; intégration terme à terme
Pour {k\ge2}, poser {\zeta(k)=\sum\limits_{n\ge1}n^{-k}}.

Montrer, pour {|x|\lt 1}, {\int_0^1(1-t^x)/(1-t)\,dt =\sum\limits_{k\ge1}(-1)^{k+1}\zeta(k+1)x^k}.

En déduire {S=\sum\limits_{k\ge1}(\zeta(2k)-\zeta(2k+1))}.

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Exercice 8. (★★★★) permutation de sommes ; développements usuels ; continuité de la limite
Soit {f(z)=\sum\limits_{n\ge1}1/(n^5(1+i/n^3-z))}.
1) Montrer que {f} est développable en série entière près de {0}.
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2) Montrer que sa restriction au cercle unité n’est pas continue.
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Exercice 9. (★★★★★) dimension ; identification des coefficients ; familles libres et génératrices
Soit {S=\left\{f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{R}):f(x)=xf'(x/2) \text{ pour tout }x\right\}}.
1) Chercher les éléments de {S} développables en série entière.
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2) {S} est-il de dimension finie ?
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Exercice 10. (★★★) rayon de convergence ; convergence ; identités trigonométriques
Soit {u_n\to0} complexe et {f(t)=\sum\limits_{n\ge0}u_nt^n} pour {|t|\lt 1}.
1) Vérifier que {f} est bien définie.
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2) Montrer que {tf(t)\to0} lorsque {t\to1^-}.
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3) Si {u_n=\sum\limits_{k=1}^ra_k\cos(n\theta_k)} avec {0\lt \theta_1\lt \cdots\lt \theta_r\lt \pi}, montrer que tous les {a_k} sont nuls.
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Exercice 11. (★★★★) convergence absolue ; domination et négligeabilité ; suites extraites
La fonction {f(x)=\sum\limits_{k\ge0}(-1)^kx^{k!}} possède-t-elle une limite lorsque {x\to1^-} ?
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Exercice 12. (★★★) valeurs intermédiaires ; développements usuels ; module et argument
Soit {f} développable en série entière près de {0} et {f(z)=O(z^k)}, avec {k\ge0}.

Montrer que, pour {r>0} assez petit, au moins {2k} points du cercle {|z|=r} vérifient {f(z)\in\mathbb{R}}.

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Exercice 13. (★★★★) séries géométrique et exponentielle complexes ; raisonnement par l’absurde
* Soient {c_i\in\left\{0,1\right\}} et {f(x)=\sum\limits_{i\ge0}c_ix^i}.

Montrer que {f(2/3)=3/2} impose l’irrationalité de {f(1/2)}.

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Exercice 14. (★★★★★) rayon de convergence ; développements usuels ; dérivation terme à terme
Soit {f:t\mapsto(1-t)^{1-1/t}}.

Cette fonction est-elle développable en série entière ?

Si oui, déterminer le rayon de convergence et le signe des coefficients de ce développement.

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Exercice 15. (★★) rayon de convergence ; développements usuels ; récurrences linéaires du second ordre
Donner le développement en série entière de {f(x)=1/(1-2x-x^2)} et son rayon de convergence.

Montrer que les coefficients sont entiers. Pouvait-on le prévoir ?

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Exercice 16. (★★★★★) approximation décimale ; Intégration sur un intervalle quelconque ; développements usuels
1) Donner le développement en série entière de {\arctan} et montrer que {\sum\limits_{k=0}^{+\infty}(-1)^k/(2k+1)=\pi/4}.
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2) Pour {n\in\mathbb{N}^\star}, on pose {S_n=4\sum\limits_{k=0}^{n-1}(-1)^k/(2k+1)}.

Montrer que {|\pi-S_n-(-1)^n/n|\le1/(2n^3)}.

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3) Montrer que, pour {n=5\times10^5}, {\pi} et {S_n} ont leurs seize premières décimales communes, sauf pour la sixième.
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Exercice 17. (★★★★★) rayon de convergence ; intégration et dérivation terme à terme ; rotations et réflexions du plan
Soit {A:\mathbb{C}\to\mathrm{SL}_2(\mathbb{C})}. On suppose que les coordonnées de {A} sont sommes de séries entières de rayon {+\infty} et que {A(\mathbb{R})\subset\mathrm{SO}_2(\mathbb{R})}.

Montrer qu’il existe {\varphi:\mathbb{C}\to\mathbb{C}}, somme d’une série entière de rayon {+\infty}, telle que {A(z)=\begin{pmatrix}\cos\varphi(z)&-\sin\varphi(z)\\[4pt]\sin\varphi(z)&\cos\varphi(z)\end{pmatrix}.}

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Exercice 18. (★★★) intégration et dérivation terme à terme ; composition ; théorème fondamental
Soit {\gamma:[a,b]\to\mathbb{C}} continue.

On suppose qu’il existe une subdivision {a=a_0\lt \cdots\lt a_n=b} telle que chaque restriction {\gamma_j} à {[a_j,a_{j+1}]} soit de classe {C^1}.

Pour {f:\mathbb{C}\to\mathbb{C}} continue, on définit {\int_\gamma f(z)\,dz=\sum_{j=0}^{n-1}\int_{a_j}^{a_{j+1}}f(\gamma_j(t))\gamma_j'(t)\,dt.}Si {\gamma(a)=\gamma(b)} et {f} est développable en série entière sur {\mathbb{C}}, montrer que {\int_\gamma f(z)\,dz=0}.

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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.