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Convergence des séries : trois décisions à justifier

Corrigez un argument fondé sur un critère du rapport non concluant, choisissez le bon sens de comparaison et distinguez convergence absolue et conditionnelle. Trois exercices originaux avec indices facultatifs et réponses expliquées.

Nablio · 12 minPublié le

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Pour les notions du cours et l’aide individuelle, consultez le tutorat MATH 205 à Concordia.

Exercez-vous à déterminer si une série converge et à expliquer pourquoi un critère s’applique. Ces trois questions servent à réviser le critère du rapport, la comparaison directe et les séries alternées. Elles s’adressent aux personnes qui ont déjà vu ces critères. Il s’agit de justifier la convergence ou la divergence, sans chercher une somme exacte.

Dans chaque question, nn parcourt les entiers positifs à partir de 11. Un terme ana_n est un élément de la série a1+a2+a3+⋯a_1+a_2+a_3+\cdots. Une somme partielle additionne un nombre fini de premiers termes. Une série converge lorsque ses sommes partielles tendent vers un nombre fini à mesure que l’on ajoute des termes.

Essayez chaque question avant d’ouvrir son indice ou sa réponse expliquée. Corrigez d’abord une conclusion, choisissez ensuite une comparaison utile, puis combinez deux vérifications de convergence.

1. Lorsque le critère du rapport ne permet pas de conclure

Considérez la série de terme général

an=1n2+3n.a_n=\frac{1}{n^2+3n}.

Une personne calcule que an+1/ana_{n+1}/a_n tend vers 11 et conclut que la série diverge. Comment corriger cet argument? Justifiez la convergence ou la divergence avec un argument valide.

Voir un indice pour la question 1

Précisez d’abord ce que permet de conclure le critère du rapport lorsque la limite vaut 11. Comparez ensuite les termes positifs avec 1/n21/n^2. Quel sens d’inégalité permettrait de prouver la convergence?

Voir la réponse et le raisonnement de la question 1
  1. Interpréter la limite du rapport

    Les termes sont positifs : le rapport de leurs valeurs absolues est donc égal à an+1/ana_{n+1}/a_n. En remplaçant les termes puis en développant le dénominateur, on obtient

    n2+3nn2+5n+4.\frac{n^2+3n}{n^2+5n+4}.

    Divisons le numérateur et le dénominateur par n2n^2 :

    1+3/n1+5/n+4/n2.\frac{1+3/n}{1+5/n+4/n^2}.

    Lorsque n→∞n\to\infty, le numérateur et le dénominateur tendent tous deux vers 1. Le rapport tend donc vers 1.

    Lorsque cette limite vaut 11, le critère du rapport ne permet de conclure ni à la convergence ni à la divergence. Il faut utiliser un autre critère.

  2. Majorer par les termes d’une série convergente

    Pour tout n≥1n\geq1, on a n2+3n≥n2>0n^2+3n\geq n^2>0. Passer aux inverses renverse l’inégalité, donc

    0<1n2+3n≤1n2.0<\frac{1}{n^2+3n}\leq\frac{1}{n^2}.

    Une série de Riemann a pour terme général 1/np1/n^p, où pp est un exposant réel fixé; elle converge lorsque p>1p>1. Ici, p=2p=2, donc la série de comparaison converge.

  3. Préciser ce que la comparaison prouve

    Les termes de la série initiale sont positifs ou nuls et ne dépassent pas les termes correspondants d’une série convergente. La comparaison directe prouve donc la convergence de la série initiale. Comme tous ses termes sont positifs, prendre leurs valeurs absolues ne change pas la série : elle converge aussi absolument.

    L’élément décisif est la majoration par les termes d’une série convergente, et non la limite non concluante du critère du rapport.

2. Choisir le bon sens de comparaison

Considérez la série de terme général

bn=nn2+4.b_n=\frac{n}{n^2+4}.

Une personne remarque que 0<bn<1/n0<b_n<1/n et conclut à la divergence parce que la série harmonique diverge. Cette comparaison suffit-elle? Complétez l’argument.

Voir un indice pour la question 2

La série harmonique est 1+1/2+1/3+⋯1+1/2+1/3+\cdots. Pour obliger les sommes partielles de votre série à augmenter sans borne, faut-il une majoration ou une minoration? Utilisez n≥1n\geq1 pour comparer n2+4n^2+4 avec 5n25n^2.

Voir la réponse et le raisonnement de la question 2
  1. Expliquer pourquoi la majoration ne suffit pas

    La majoration est correcte, mais elle ne prouve pas la divergence. Les termes d’une série convergente peuvent aussi être inférieurs à ceux d’une série divergente : par exemple, 1/n2≤1/n1/n^2\leq1/n. Pour prouver ici la divergence par comparaison directe, cherchez une minoration par les termes d’une série positive divergente.

  2. Minorer par les termes d’une série divergente

    Comme n≥1n\geq1, on a 4≤4n24\leq4n^2, donc n2+4≤5n2n^2+4\leq5n^2. Les dénominateurs sont positifs : passer aux inverses renverse l’inégalité. En multipliant par le nombre positif nn, on obtient

    bn=nn2+4≥15n.b_n=\frac{n}{n^2+4}\geq\frac{1}{5n}.

  3. Comparer les sommes partielles

    Les sommes partielles de la série harmonique, 1+1/2+1/3+⋯1+1/2+1/3+\cdots, augmentent sans borne. Les sommes partielles de la série de terme 1/(5n)1/(5n) valent un cinquième des sommes partielles harmoniques et augmentent donc elles aussi sans borne. Les sommes partielles correspondantes de la série initiale sont au moins aussi grandes.

    La série initiale diverge donc vers +∞+\infty. La minoration par une série divergente impose cette conclusion; la majoration proposée ne la permettait pas.

3. Distinguer convergence et convergence absolue

Considérez la série de terme général

cn=(−1)n+1n+2.c_n=\frac{(-1)^{n+1}}{n+2}.

Converge-t-elle? La série des valeurs absolues converge-t-elle? Justifiez les deux conclusions.

Voir un indice pour la question 3

Écrivez les trois premiers termes pour voir l’alternance des signes. Montrez ensuite que ∣cn∣|c_n| décroît pour tout n≥1n\geq1 et tend vers zéro lorsque n→∞n\to\infty avant d’utiliser le critère des séries alternées. Posez ensuite une autre question sur les termes positifs ∣cn∣=1/(n+2)|c_n|=1/(n+2).

Voir la réponse et le raisonnement de la question 3
  1. Vérifier les conditions du critère des séries alternées

    La série commence par 1/3−1/4+1/5−⋯1/3-1/4+1/5-\cdots. Ses signes alternent. Les valeurs absolues de ses termes sont positives et décroissent, car, pour tout n≥1n\geq1,

    0<1n+3<1n+2.0<\frac{1}{n+3}<\frac{1}{n+2}.

    Elles tendent aussi vers zéro :

    lim⁡n→∞1n+2=0.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n+2}=0.

    Ces conditions permettent d’appliquer le critère des séries alternées et d’établir la convergence.

  2. Étudier la série des valeurs absolues

    La convergence absolue signifie que la série obtenue en prenant la valeur absolue de chaque terme converge. Ici, ses termes sont ∣cn∣=1/(n+2)|c_n|=1/(n+2). Pour n≥1n\geq1, on a n+2≤3nn+2\leq3n, et les deux dénominateurs sont positifs. Ainsi,

    1n+2≥13n.\frac{1}{n+2}\geq\frac{1}{3n}.

    La série de terme 1/(3n)1/(3n) diverge, car ses sommes partielles valent un tiers des sommes partielles harmoniques. La comparaison directe montre que la série des valeurs absolues diverge elle aussi.

  3. Combiner les deux conclusions

    Une série est dite conditionnellement convergente lorsqu’elle converge mais que la série de ses valeurs absolues diverge. La série alternée initiale est donc conditionnellement convergente.

    La convergence absolue impliquerait la convergence. Ici, le critère des séries alternées a établi la convergence, mais pas la convergence absolue; la comparaison précédente exclut cette dernière.

Vérifier votre raisonnement

Fermez les réponses. Pour chaque question, nommez le critère, écrivez la condition ou l’inégalité qui permet de l’appliquer et précisez sa conclusion.

  • Si la question 1 vous a posé difficulté, revoyez pourquoi une limite égale à 11 dans le critère du rapport ne permet pas de conclure.
  • Si la question 2 vous a posé difficulté, revoyez les sens de comparaison pour des termes positifs ou nuls : majorer par les termes d’une série convergente peut prouver la convergence; minorer par ceux d’une série divergente peut prouver la divergence.
  • Si la question 3 vous a posé difficulté, revoyez les conditions du critère des séries alternées et la différence entre convergence absolue et convergence conditionnelle.

Reprenez la première question où votre raisonnement était incomplet, en gardant sa réponse fermée. Choisissez ensuite une autre question sur les séries dans vos documents de cours et justifiez chaque condition avant d’utiliser un critère. Le guide de MATH 205 à Concordia situe ces questions de convergence parmi les autres notions du cours.

Contexte du cours et sources officielles

La description de MATH 205 dans le calendrier de Concordia comprend les suites, les séries et les critères de convergence. Le plan de l’automne 2026 mentionne la comparaison, la convergence absolue, le critère du rapport et les séries alternées. Ces sources situent les notions; le plan actuel de votre section détermine la matière à étudier.

Ces exercices originaux de Nablio ne sont pas des questions d’examen officielles de Concordia. Ce diagnostic ciblé ne couvre pas tous les critères de convergence ni l’ensemble du cours. Nablio est indépendant de Concordia.

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