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Prépa · MP / MP2I

Préambule : Séries numériques et familles sommables (Prépa, 2e année)

Le chapitre de deuxième année qui complète les séries de MPSI : règle de d'Alembert, séries alternées, sommation des relations de comparaison, formule de Stirling, produit de Cauchy et familles sommables. C'est la base des séries de fonctions et des séries entières, et un thème présent chaque année aux écrits comme aux oraux.

Préambule : les séries de première année

Tout le chapitre s'appuie sur ces résultats de MPSI. Relis-les si le test de niveau t'a classé « à consolider ». Si un bloc était « à reprendre », mieux vaut refaire le chapitre de première année correspondant avant d'aller plus loin.

Définition

Série, somme, reste

La série $\sum u_n$ converge si la suite des sommes partielles $S_n=\sum_{k=0}^nu_k$ converge. Sa limite $S=\sum_{n=0}^{+\infty}u_n$ est la somme, et le reste $R_n=S-S_n=\sum_{k=n+1}^{+\infty}u_k$ tend vers $0$.

Divergence grossière : si $u_n\not\to0$, la série diverge. La réciproque est fausse : $\sum\frac1n$ diverge.

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Propriété

Séries de référence

  • Géométrique : $\sum q^n$ converge si et seulement si $|q|<1$, et $\sum_{n=0}^{+\infty}q^n=\frac1{1-q}$.
  • Riemann : $\sum_{n\ge1}\frac1{n^\alpha}$ converge si et seulement si $\alpha>1$.
  • Télescopique : $\sum(a_{n+1}-a_n)$ converge si et seulement si $(a_n)$ converge, et sa somme vaut $\lim a_n-a_0$.
  • Exponentielle : pour tout $z\in\mathbb C$, $\sum\frac{z^n}{n!}$ converge et vaut $e^z$.
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Théorème

Séries à termes positifs : comparaison

Soit $u_n\ge0$ et $v_n\ge0$ à partir d'un certain rang.

  • Si $u_n\le v_n$ ou $u_n=O(v_n)$ : $\sum v_n$ converge $\Rightarrow\sum u_n$ converge (et $\sum u_n$ diverge $\Rightarrow\sum v_n$ diverge).
  • Si $u_n\sim v_n$ : les deux séries ont la même nature.

La positivité est indispensable : c'est elle qui fait que les sommes partielles sont croissantes.

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Théorème

Convergence absolue

Si $\sum|u_n|$ converge, alors $\sum u_n$ converge et $\left|\sum_{n=0}^{+\infty}u_n\right|\le\sum_{n=0}^{+\infty}|u_n|$.

En pratique, pour une série de signe quelconque, on commence toujours par regarder $|u_n|$.

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Méthode

Comparaison série-intégrale

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Méthode

Trouver la nature d'une série à termes positifs

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Attention

Équivalents et signe

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Exemple

La constante d'Euler

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