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Exercice corrigé : Développement asymptotique du reste de $\sum\frac1{k^2}$ (type CCINP)

TélescopageEncadrement d'un resteComparaison série-intégraleAccélération de convergence

Pour $n\ge1$, on pose $S_n=\sum_{k=1}^{n}\frac1{k^2}$.

  1. Montrer que, pour $k\ge2$, $\frac1{k(k+1)}\le\frac1{k^2}\le\frac1{k(k-1)}$. En déduire que $\sum\frac1{k^2}$ converge et que sa somme $S$ vérifie $S\le2$.
  2. On note $R_n=S-S_n$. Montrer que $\frac1{n+1}\le R_n\le\frac1n$ pour $n\ge1$ et en déduire un équivalent de $R_n$.
  3. a) Montrer que pour $k\ge1$ : $0\le\frac1{k-\frac12}-\frac1{k+\frac12}-\frac1{k^2}\le\frac1{3k^4}$. b) Montrer que $\sum_{k=n+1}^{+\infty}\frac1{k^4}\le\frac1{3n^3}$ pour $n\ge1$. c) En déduire $0\le\frac1{n+\frac12}-R_n\le\frac1{9n^3}$, puis $R_n=\frac1n-\frac1{2n^2}+O\left(\frac1{n^3}\right)$.
  4. Déterminer le plus petit entier $n$ pour lequel la majoration de 3 c) garantit $\left|S-\left(S_n+\frac1{n+\frac12}\right)\right|\le10^{-6}$. Comparer avec l'approximation de $S$ par $S_n$ seul.

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