Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and series

Deux séries convergentes

by FiniteField·
45
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit (un)∈(R+)N(u_n)\in(\mathbb{R}^+)^\mathbb{N} décroissante. On suppose que la série de terme général unu_n est convergente.
Si n∈N,n\in\mathbb{N}, on pose vn=n(un+1−un).v_n=n(u_{n+1}-u_n). Montrer que la série de terme général vnv_n est convergente. Exprimer sa somme en fonction de celle de un.u_n.

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  1. Oral Mines-Ponts filière PSI 2010 (RMS 121-2 566)
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Solution by FiniteField

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Notons Sn=∑k=0nuk\displaystyle S_n=\sum_{k=0}^n u_k et S=∑k=0+∞uk\displaystyle S=\sum_{k=0}^{+\infty} u_k. On considère les sommes partielles de (vn).(v_n).
∑k=0n−1vk=∑k=1n−1vk=∑k=1n−1kuk+1−∑k=1n−1kuk=∑j=2n(j−1)uj−u1−∑k=2n−1kuk=nun−∑k=1nuk.\sum_{k=0}^{n-1}v_k=\sum_{k=1}^{n-1}v_k=\sum_{k=1}^{n-1}ku_{k+1}-\sum_{k=1}^{n-1}ku_k=\sum_{j=2}^{n}(j-1)u_j-u_1-\sum_{k=2}^{n-1}ku_k=nu_n-\sum_{k=1}^n u_k.On voit donc que ∑vn\displaystyle\sum v_n converge si et seulement si nun⟶0.nu_n\longrightarrow 0. Montrons-le. On a, par décroissance de (un),∀n∈N,(u_{n}),\forall n\in\mathbb{N},
Sn−S⌊n/2⌋=∑k=⌊n/2⌋+1nuk≥(n−⌊n2⌋)un≥0.S_n-S_{\left\lfloor n/2\right\rfloor}=\sum_{k=\left\lfloor n/2\right\rfloor+1}^nu_k\geq \left(n-\left\lfloor \dfrac{n}{2}\right\rfloor\right)u_n\geq 0.Mais, grâce à l’inégalité n2−1≤⌊n2⌋≤n2\dfrac{n}{2}-1\leq \left\lfloor\dfrac{n}{2}\right\rfloor\leq \dfrac{n}{2} on a n2≤n−⌊n2⌋≤n2+1\dfrac{n}{2}\leq n-\left\lfloor\dfrac{n}{2}\right\rfloor\leq \dfrac{n}{2}+1 si bien qu’en multipliant par 2n\dfrac{2}{n} et en passant à la limite on a n−⌊n2⌋∼n2.n-\left\lfloor\dfrac{n}{2}\right\rfloor\sim \dfrac{n}{2}. Donc nun2⟶0\dfrac{nu_n}{2}\longrightarrow 0. La série de terme général vnv_n converge donc et sa somme vaut
∑n=0+∞vn=−∑n=1+∞un=u0−S.\sum_{n=0}^{+\infty}v_n=-\sum_{n=1}^{+\infty}u_n=u_0-S.

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