mathématiques approfondies (ECG 1re année) · Chapitre 8 · Exercice
Quand l'équivalent ne suffit pas
Analyse asymptotique et séries · Nature et somme des séries · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Déterminer la nature de et de . Aucune des deux ne se ramène à une série de Riemann par une équivalence.
Corrigé
Les deux termes généraux sont positifs, ce qui autorise les théorèmes de comparaison.
La première série converge, par négligeabilité. On coupe l'exposant en :
Par croissances comparées, , donc . Or est une série de Riemann d'exposant , convergente à termes positifs : la série étudiée converge.
La seconde série converge, par majoration directe. Pour , on écrit le quotient comme un produit de facteurs :
car tous les facteurs à partir du troisième sont inférieurs ou égaux à . Comme converge, la comparaison des séries à termes positifs conclut.
Le point délicat est le même dans les deux cas : il n'existe pas d'équivalent simple. Il faut alors choisir soi-même la série de comparaison, et vérifier qu'elle domine — par une négligeabilité dans le premier cas, par une inégalité explicite dans le second.
Le point à retenir. L'équivalence est un cas particulier commode de la comparaison, pas l'outil universel. Le vrai théorème est celui de l'encadrement des termes positifs : dès qu'on sait majorer par une série convergente, on a gagné.
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