mathématiques MPSI · Chapitre 5 · Application directe du cours
Déterminer la limite de uₙ = Σₖ₌₁ⁿ 1/(√(n² + k)).
Nombres réels et suites numériques · B. Limites : définitions, opérations, comparaison · niveau 2
Énoncé
Déterminer la limite de .
Corrigé
Stratégie : le théorème d'encadrement (« des gendarmes »). La somme a termes qui varient tous avec , et aucun ne se calcule ; mais ils sont tous du même ordre. On encadre donc chaque terme par le plus petit et le plus grand, puis on somme.
L'encadrement terme à terme. Pour on a , donc et comme est décroissante sur , l'ordre s'inverse :
⚠️ Le point délicat : l'inversion du sens. C'est la décroissance de l'inverse de la racine qui échange les deux bornes. Recopier l'encadrement dans le même ordre est l'erreur classique — et elle donnerait ici un encadrement faux dont les deux membres tendent pourtant vers , donc invisible au contrôle numérique final. Il faut le voir à l'écriture.
La sommation. Les termes sont encadrés par les mêmes deux constantes (indépendantes de ), donc en sommant de à :
Les deux bords ont la même limite. En factorisant sous la racine () : Le théorème d'encadrement conclut :
Contrôle. : , à comparer à l'encadrement ✓. : la somme vaut , l'encadrement ✓. : — la convergence vers est confirmée, et elle est lente (l'écart est de l'ordre de ).
Ce que l'exercice installe. Une somme de termes qui vaut à la limite, alors que chaque terme tend vers : c'est le mécanisme de toutes les sommes de Riemann, où « beaucoup de petites choses » font une quantité finie. Ici les termes valent chacun à peu près . Le réflexe à retenir : devant dont les termes ne se calculent pas, encadrer par le plus petit et le plus grand terme avant toute autre idée — cela suffit dès que le rapport entre les deux tend vers .
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