Module

Série géométrique et séries dérivées

Domaine
Analyse

Série géométrique et séries dérivées

Définition Série géométrique et séries dérivées

Soit \(q\in \mathbb{R}\).

La série \(\sum_{n=0}^{+\infty}q^n\) s’appelle la série géométrique de raison \(q\).

Les séries \(\sum_{n=1}^{+\infty}nq^{n-1}\) et \(\sum_{n=2}^{+\infty}n(n-1)q^{n-2}\) sont appelées séries dérivées première et seconde de la série géométrique \(\sum_{n=0}^{+\infty}q^n\).

Théorème Convergence de la série géométrique

Soit \(q\in\mathbb{R}\).

La série \(\sum_{n=0}^{+\infty}q^n\) converge si et seulement si \(|q|<1\).

Remarque Divergence de la série géométrique

La série \(\sum_{n=0}^{+\infty}q^n\) diverge si et seulement si \(|q|\geq1\).

Théorème Somme de la série géométrique

Si \(|q|<1\), alors

\[\sum_{n=0}^{+\infty}q^n=\frac{1}{1-q}\]

et, pour tout \(a\in\mathbb{N}\),

\[\sum_{n=a}^{+\infty}q^n=\frac{q^a}{1-q}\]

Théorème Convergence et somme des séries dérivées

Soit \(q\in\mathbb{R}\).

La série \(\sum_{n=1}^{+\infty}nq^{n-1}\) converge si et seulement si \(|q|<1\).

La série \(\sum_{n=2}^{+\infty}n(n-1)q^{n-2}\) converge si et seulement si \(|q|<1\).

Si \(|q|<1\), alors on a :

\[\sum_{n=1}^{+\infty}nq^{n-1}=\frac{1}{(1-q)^2}\]
\[\sum_{n=2}^{+\infty}n(n-1)q^{n-2}=\frac{2}{(1-q)^3}\]

Remarques Remarques

Remarque Divergence de la série dérivée première

La série \(\sum_{n=1}^{+\infty}nq^{n-1}\) diverge si et seulement si \(|q|\geq1\).

Remarque Divergence de la série dérivée seconde

La série \(\sum_{n=2}^{+\infty}n(n-1)q^{n-2}\) diverge si et seulement si \(|q|\geq1\).

Exemple résolu Étude de trois séries de référence réservé aux comptes

Séries de référence complémentaires

Théorème Divergence de la série harmonique

La série \(\sum_{n\geq1}\frac{1}{n}\) diverge. Cette série est appelée série harmonique.

Théorème Convergence et somme de la série exponentielle

Pour tout réel \(x\), la série \(\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{x^n}{n!}\) converge et on a :

\[\forall x\in\mathbb{R},\qquad\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{x^n}{n!}=e^x\]

Cette série est appelée série exponentielle.

Exemple résolu Étude d’une série exponentielle réservé aux comptes