Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Une somme en vaut une autre

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Solution by FiniteField · FR

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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  1. · FiniteField

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