Adloun

Le logarithme de et la série harmonique alternée

Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques MPSI, chapitre 16 — Intégration · E. Formules de Taylor globales

Énoncé

Montrer que pour tout et tout , et en déduire la valeur de .

Corrigé

La stratégie. Un reste exact, donc majorable. On n'utilise pas Taylor-Young, qui ne donne qu'un local et ne dirait rien en . On fabrique le reste à partir de la somme géométrique finie — une identité, pas une approximation — et on l'intègre.

L'identité de départ. Pour et , la somme des premiers termes de la suite géométrique de raison vaut

Intégration de à . Pour , toutes les fonctions en jeu sont continues sur . En intégrant terme à terme, C'est une formule de Taylor avec reste intégral, obtenue à la main, et le reste est exact.

La majoration. Pour , on a , donc et . Par croissance de l'intégrale, Le point délicat. La minoration exige : c'est là que l'hypothèse est dépensée. Sur , explose près de et la majoration s'effondre.

La série harmonique alternée. Prenons : donc

Contrôle numérique. Pour , la somme vaut et : erreur , majorant . Pour : erreur , majorant . La majoration tient, avec un facteur de marge — l'erreur vraie est de l'ordre de — et elle tend vers , ce qui est tout ce qu'on demandait.

Ce que l'exercice installe. La différence entre local et global. Taylor-Young affirme quand : au point , il ne dit rien. Le reste intégral donne une inégalité valable sur tout un intervalle, donc un résultat certifié en tout point — ici la somme d'une série. On notera que la convergence en rend cette série inutilisable pour calculer : six décimales exigeraient un million de termes.

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