Module
Généralités sur les séries numériques
- Domaine
- Analyse
Définitions
Définition Série numérique et somme partielle
Soit \((u_n)_{n\geq n_0}\) une suite réelle.
On appelle série de terme général \(u_n\), notée \(\sum_{n\geq n_0}u_n\), la suite \((S_n)\) définie par
Le terme \(S_n\) s’appelle la somme partielle de rang \(n\) de la série.
Définition Convergence et somme d’une série
Soient \((u_n)_{n\geq n_0}\) une suite réelle et \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) la série de terme général \(u_n\). On dit que la série converge lorsque la suite \((S_n)\) des sommes partielles converge.
Dans ce cas, la limite de cette suite \((S_n)\) est notée \(\sum_{k=n_0}^{+\infty}u_k\) et est appelée la somme de la série de terme général \(u_n\).
Définition Divergence d’une série
Dans le cas contraire, on dit que la série diverge.
Définition Reste d’une série convergente
Soit \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) une série convergente. On appelle reste de rang \(n\) le réel \(R_n\) défini par
Propriétés
Propriété Conservation de la nature après modification des premiers termes
Les séries \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) et \(\sum_{n\geq n_1}u_n\) sont de même nature.
Autrement dit, la nature d’une série ne dépend pas de ses premiers termes.
Remarque Effet sur la somme d’une série convergente
La nature de la série n’est pas modifiée mais sa somme l’est en cas de convergence.
Propriété Condition nécessaire de convergence
Si la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) converge, alors \(\lim_{n\to+\infty}u_n=0\).
Autrement dit, si \(\lim_{n\to+\infty}u_n\neq0\), alors la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) diverge.
On dit alors que la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) diverge grossièrement.
Remarques Remarques
Remarque Réciproque de la condition nécessaire
La réciproque est fausse. En effet, la suite \(\left(\frac{1}{n}\right)\) converge mais la série \(\sum\frac{1}{n}\) diverge.
Remarque Convergence d’une suite et d’une série
Ne pas confondre la convergence de la suite \((u_n)\) et celle de la série \(\sum u_n\).
Par exemple, on considère \(u_n=1+\frac{1}{n}\). La suite \((u_n)_{n>0}\) converge vers \(1\), et la série \(\sum\left(1+\frac{1}{n}\right)\) diverge grossièrement.
Exemple résolu Séries divergentes grossièrement réservé aux comptes
Méthodes d’étude de la nature d’une série
Méthode Étude de la nature d’une série
Pour étudier la nature d’une série, on peut suivre les étapes suivantes.
Vérifier si la suite \((u_n)_{n\geq n_0}\) ne converge pas vers \(0\) : la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) diverge.
Sinon, la suite \((u_n)_{n\geq n_0}\) converge vers \(0\), ou l’étude de sa limite lorsque \(n\) tend vers \(+\infty\) est trop longue.
On peut essayer de se ramener à une série de référence : on peut alors conclure quant à la convergence ou à la valeur de la somme, le cas échéant.
On peut essayer de considérer la suite des sommes partielles \(S_n=\sum_{k=n_0}^{n}u_k\). Si on sait la calculer, on peut conclure quant à la convergence ou à la valeur de la somme, le cas échéant. Si la suite \((S_n)\) converge, alors la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) converge et \(\sum_{k=n_0}^{+\infty}u_k=\lim_{n\to+\infty}S_n\).
Si la série est à termes positifs, on peut essayer d’appliquer les critères des séries à termes positifs.
Si la série n’est pas à termes positifs, on peut essayer d’étudier la série \(\sum_{n\geq n_0}\lvert u_n\rvert\). Dans ce cas, on se ramène au cas des séries à termes positifs.
Si la série \(\sum_{n\geq n_0}\lvert u_n\rvert\) converge alors la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) converge absolument. Si la série \(\sum_{n\geq n_0}\lvert u_n\rvert\) diverge, on peut se ramener au cas d’une série de référence en considérant \(S_n=\sum_{k=n_0}^{n}u_k\).
Dans ce cas, on sera guidé comme dans l’étude de la convergence et de la somme d’une série alternée.
Remarques Remarques
Remarque Convergence et limite du terme général
Si la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) converge, la suite \((u_n)_{n\geq n_0}\) converge vers \(0\), mais on ne peut pas forcément calculer la somme de la série.
Remarque Calcul de la somme sans série de référence
Si la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) converge et si sa somme est demandée, on revient à l’étude des sommes partielles si l’on n’a pas de série de référence.
Remarques Remarques
Remarque Limite des sommes partielles et du reste
Soit \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) une série convergente de somme \(S\).
Remarque Sens de la nature d’une série
Étudier la nature d’une série, c’est déterminer si elle est convergente ou divergente.
L’expression \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) diverge ne doit pas prêter à confusion : elle ne veut pas dire que la suite des sommes partielles diverge vers \(+\infty\), mais simplement qu’elle diverge.
En effet, la série \(\sum(-1)^n\) diverge et ses sommes partielles valent \(0\) ou \(1\).
Remarque Absence de somme pour une série divergente
Si \(\sum_{n\geq n_0}u_n\) diverge, la notion de somme n’existe pas.
Remarque Distinction entre série et somme
Attention, ne pas confondre la série \(\sum_{n\geq n_0}u_n\), qui est en fait une suite, et la somme de la série, qui est en fait un réel qui existe lorsque la série converge.