Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Power series

Une somme en vaut une autre

by FiniteField·
45
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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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  1. Déterminer le rayon de convergence de ∑n=0+∞x2n+1∏k=0n(2k+1)\displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{x^{2n+1}}{\prod\limits_{k=0}^n(2k+1)}.
  2. Montrer que ∑n=0+∞1∏k=0n(2k+1)=e∑n=0+∞(−1)n2nn!(2n+1).\displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{\prod\limits_{k=0}^n(2k+1)}=\sqrt{e}\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{(-1)^n}{2^nn!(2n+1)}.
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References

  1. Oral Mines-Ponts filière PSI 2015 (RMS 126-2 518)
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Solution by FiniteField

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Le critère de d’Alembert montre que le rayon de convergence est +∞.+\infty. La fonction f ⁣:x∈R↦∑n=0+∞x2n+1∏k=0n(2k+1)f\colon x\in\mathbb{R}\mapsto \displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{x^{2n+1}}{\prod\limits_{k=0}^n(2k+1)} est de classe C∞\mathcal{C}^\infty en tant que somme d’une série entière et on a
f′(x)=∑n=0+∞x2n∏k=0n−1(2k+1)=1+∑n=1+∞x2n∏k=0n−1(2k+1)=1+∑n=0+∞x2n+2∏k=0n(2k+1)1+xf(x).f'(x)=\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{x^{2n}}{\prod\limits_{k=0}^{n-1}(2k+1)} =1+\sum_{n=1}^{+\infty}\dfrac{x^{2n}}{\prod\limits_{k=0}^{n-1}(2k+1)} =1+\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{x^{2n+2}}{\prod\limits_{k=0}^n (2k+1)}1+xf(x).La fonction ff est donc solution du problème de Cauchy {y′−xy=1y(0)=0.\left\{\begin{array}{rl}y'-xy&=1\\y(0)&=0\end{array}\right.. Les solutions de l’équation homogène sont de la forme yh(x)=λex2/2y_h(x)=\lambda e^{x^2/2} et on trouve une solution particulière en appliquant la méthode de variation de la constante c’est à dire en cherchant une solution particulière sous la forme y0(x)=λ(x)ex2/2.y_0(x)=\lambda(x)e^{x^2/2}. En réinjectant une telle solution dans l’équation on trouve λ′(x)=e−x2/2\lambda'(x)=e^{-x^2/2} de telle sorte que y0(x)=ex2/2∫0xe−t2/2 dty_0(x)=\displaystyle e^{x^2/2}\int_0^x e^{-t^2/2}\,\mathrm{d}t. Puisque la solution particulière est solution du problème de Cauchy, on a ∀x∈R,f(x)=ex2/2∫0xe−t2/2 dt\forall x\in\mathbb{R},f(x)=\displaystyle e^{x^2/2}\int_0^x e^{-t^2/2}\,\mathrm{d}t donc, en évaluant en x=1x=1 on a
∑n=0+∞1∏k=0n(2k+1)=e∫01e−t2/2 dt=e∫01∑n=0+∞1n!(−t22)n dt=e∑n=0+∞(−1)nn!2n∫01t2n dt=e∑n=0+∞(−1)nn!2n(2n+1).\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{\prod\limits_{k=0}^n(2k+1)} =\sqrt{e}\int_0^1 e^{-t^2/2}\,\mathrm{d}t =\sqrt{e}\int_0^1\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{n!}\left(\dfrac{-t^2}{2}\right)^n\,\mathrm{d}t =\sqrt{e}\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{(-1)^n}{n!2^n}\int_0^1 t^{2n}\,\mathrm{d}t =\sqrt{e}\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{(-1)^n}{n!2^n(2n+1)}.L’échange série-intégrale étant justifiée au choix par la convergence de ∑n=0+∞∫01∣(−1)nt2nn!2n∣ dt=∫01et2/2 dt\displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}\int_0^1\left|\dfrac{(-1)^nt^{2n}}{n!2^n}\right|\,\mathrm{d}t=\int_0^1 e^{t^2/2}\,\mathrm{d}t (théorème de Fubini) ou alors par la domination de la série (qui est alternée) par son premier terme ∑n=0+∞1n!(−t22)n≤1\displaystyle\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{n!}\left(\dfrac{-t^2}{2}\right)^n\leq 1 puis par l’application du théorème de convergence dominée de Lebesgue.

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