Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une alternance qui prend son temps

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Solution by FiniteField · FR

Si α=0\alpha=0 la série diverge grossièrement et si α⩾2\alpha\geqslant2 alors elle converge absolument par le critère de Riemann. Il ne nous reste plus qu’à étudier le cas α=1.\alpha=1. Supposons par l’absurde que la série converge et notons SNS_N sa NN-ème somme partielle. On remarque que, par croissance de la partie entière et stricte croissance de ln⁡\ln et exp⁡\exp, on a
⌊ln⁡(n)⌋=k⇔k≤ln⁡(n)<k+1⇔ek≤n<ek+1⇔⌊ek⌋≤n≤⌊ek+1⌋\lfloor\ln(n)\rfloor=k \Leftrightarrow k\leq \ln(n)<k+1 \Leftrightarrow e^k\leq n<e^{k+1} \Leftrightarrow \left\lfloor e^k\right\rfloor\leq n\leq \left\lfloor e^{k+1}\right\rfloorla dernière inégalité provenant du fait que ee est transcendant donc ek+1e^{k+1} ne peut être entier sans quoi ee serait racine d’un certain Xk+1−a∈Z[X].X^{k+1}-a\in\mathbb{Z}[X]. On décompose alors la somme partielle S⌊eN⌋S_{\left\lfloor e^N\right\rfloor} par paquets ce qui donne
S⌊eN⌋=1+∑k=0N−1∑n=⌊ek⌋+1⌊ek+1⌋(−1)kn=∑k=0N−1(−1)k∑n=⌊ek⌋⌊ek+1⌋−11n.S_{\left\lfloor e^N\right\rfloor} =1+\sum_{k=0}^{N-1}\sum_{n=\left\lfloor e^k\right\rfloor+1}^{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor}\dfrac{(-1)^k}{n} =\sum_{k=0}^{N-1}(-1)^k\sum_{n=\left\lfloor e^k\right\rfloor}^{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor-1}\dfrac{1}{n}.Grâce au développement asymptotique de la série harmonique définie par ses sommes partielles Hm=∑n=1m1n=ln⁡(n)+γ+o(1)\displaystyle H_m=\sum_{n=1}^m\dfrac{1}{n}=\ln(n)+\gamma+o(1) on a
∑n=⌊ek⌋⌊ek+1⌋−11n=H⌊ek+1⌋−H⌊ek⌋=ln⁡(⌊ek+1⌋)−ln⁡(⌊ek⌋)+o(1)=ln⁡(⌊ek+1⌋⌊ek⌋)+o(1)\sum_{n=\left\lfloor e^k\right\rfloor}^{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor-1}\dfrac{1}{n} =H_{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor}-H_{\left\lfloor e^k\right\rfloor} =\ln\left(\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor\right)-\ln\left(\left\lfloor e^k\right\rfloor\right)+o(1) =\ln\left(\dfrac{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor}{\left\lfloor e^k\right\rfloor}\right)+o(1)or par l’inégalité ek−1<⌊ek⌋⩽eke^k-1< \left\lfloor e^k\right\rfloor\leqslant e^k, en divisant par eke^k et en prenant la limite on a ⌊ek⌋∼ek\left\lfloor e^k\right\rfloor\sim e^k donc ⌊ek+1⌋⌊ek⌋∼e\dfrac{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor}{\left\lfloor e^k\right\rfloor}\sim e ou encore ⌊ek+1⌋⌊ek⌋=e+o(1).\dfrac{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor}{\left\lfloor e^k\right\rfloor}=e+o(1). On a alors
∑n=⌊ek⌋⌊ek+1⌋−11n=ln⁡(e+o(1))+o(1)=1+o(1).\sum_{n=\left\lfloor e^k\right\rfloor}^{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor-1}\dfrac{1}{n} =\ln(e+o(1))+o(1)=1+o(1).La convergence de la série ∑n⩾0(−1)⌊ln⁡(n)⌋n\displaystyle\sum_{n\geqslant 0}\dfrac{(-1)^{\left\lfloor\ln(n)\right\rfloor}}{n} entraîne donc la convergence de la série ∑k⩾1(−1)kuk\displaystyle\sum_{k\geqslant 1} (-1)^ku_k où
uk=∑n=⌊ek⌋⌊ek+1⌋−11nu_k=\displaystyle\sum_{n=\left\lfloor e^k\right\rfloor}^{\left\lfloor e^{k+1}\right\rfloor-1}\dfrac1n.
Ceci est absurde car cette dernière série est grossièrement divergente car son terme général n’a pas de limite.

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