Séries entières : exercices corrigés avec solutions
12 exercices corrigés sur les séries entières : rayon et intervalle de convergence, étude des bornes et séries construites à partir de 1/(1 − x).
Suites et séries Mis à jour Lecture : 4 min
En bref
- Exercices
- 12, avec réponses et solutions complètes
- Niveau
- Analyse 2 et AP Calculus BC, unité 10
- Prérequis
- Le critère de d'Alembert et les autres critères de convergence
- Idée principale
- Utiliser le critère de d'Alembert pour le rayon, puis étudier chaque borne séparément
- S'entraîner avec de nouveaux nombres
- Leçon sur les séries entières et le rayon
Sur cette page
Ces exercices sur les séries entières portent sur le rayon et l'intervalle de convergence, l'étude des bornes et la construction de nouvelles séries à partir de la série géométrique. Cherchez chaque exercice d'abord. Les réponses viennent en premier, puis les solutions complètes.
Les deux outils :
Pour d'autres exemples, lisez le guide des séries entières.
Exercices
Rayon et intervalle de convergence
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}n!\,x^n
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(x - 2)^n}{3^n}
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n^2}
- \displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n}}{4^n}
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}n(x + 1)^n
- \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(2x - 1)^n}{n}
Construire des séries
- Trouvez une série entière pour \dfrac{1}{1 - 3x} et son rayon.
- Trouvez une série entière pour \dfrac{x}{1 + x^2} et son rayon.
- Dérivez \frac{1}{1 - x} pour obtenir une série de \frac{1}{(1 - x)^2}. Utilisez-la pour calculer \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{2^n}.
- Intégrez une série de \frac{1}{1 + x} pour obtenir une série de \ln(1 + x).
Réponses
| Exercice | Rayon | Intervalle ou réponse |
|---|---|---|
| 1 | 1 | [-1, 1) |
| 2 | \infty | (-\infty, \infty) |
| 3 | 0 | Seulement x = 0 |
| 4 | 3 | (-1, 5) |
| 5 | 1 | [-1, 1] |
| 6 | 2 | (-2, 2) |
| 7 | 1 | (-2, 0) |
| 8 | \frac{1}{2} | [0, 1) |
| 9 | \frac{1}{3} | \sum 3^n x^n |
| 10 | 1 | \sum(-1)^n x^{2n+1} |
| 11 | 1 | \sum n x^{n-1} ; la somme vaut 2 |
| 12 | 1 | \sum\frac{(-1)^{n+1}x^n}{n} |
Solutions détaillées
1. Rapport : \left|\frac{x^{n+1}}{n + 1}\cdot\frac{n}{x^n}\right| = \frac{n}{n + 1}|x| \to |x|. Donc |x| < 1 et R = 1. En x = 1 : \sum\frac{1}{n} diverge. En x = -1 : \sum\frac{(-1)^n}{n} converge d'après le critère des séries alternées. Intervalle [-1, 1).
2. Rapport : \frac{|x|}{n + 1} \to 0 < 1 pour tout x. Donc R = \infty. C'est la série de e^x.
3. Rapport : (n + 1)|x| \to \infty pour tout x \neq 0. La série ne converge qu'en son centre.
4. C'est une série géométrique de raison \frac{x - 2}{3}. Elle converge quand |x - 2| < 3, c'est-à-dire -1 < x < 5. Aux deux bornes, les termes valent (\pm 1)^n, qui ne tendent pas vers 0, donc la série diverge aux deux bornes.
5. Rapport : \frac{n^2}{(n + 1)^2}|x| \to |x|, donc R = 1. En x = \pm 1, \sum\frac{(\pm 1)^n}{n^2} converge absolument, puisque \sum\frac{1}{n^2} converge. Les deux bornes sont incluses.
6. C'est une série géométrique de raison -\frac{x^2}{4}. Elle converge quand \frac{x^2}{4} < 1, c'est-à-dire |x| < 2. En x = \pm 2, les termes valent (-1)^n, et la série diverge.
7. Rapport : \frac{n + 1}{n}|x + 1| \to |x + 1|, donc la série converge pour |x + 1| < 1, c'est-à-dire -2 < x < 0. Aux deux bornes, les termes n(\pm 1)^n croissent, donc la série diverge aux deux bornes.
8. Rapport : \frac{n}{n + 1}|2x - 1| \to |2x - 1|. Résolvez |2x - 1| < 1 : 0 < x < 1, avec pour centre \frac{1}{2} et R = \frac{1}{2}. En x = 1 : \sum\frac{1}{n} diverge. En x = 0 : \sum\frac{(-1)^n}{n} converge. Intervalle [0, 1).
9. Remplacez x par 3x dans la série géométrique :
10. Remplacez x par -x^2, puis multipliez par x :
11. Dérivez les deux membres de \frac{1}{1 - x} = \sum x^n :
Multipliez par x : \sum n x^n = \frac{x}{(1 - x)^2}. En x = \frac{1}{2}, cela donne \frac{1/2}{1/4} = 2.
12. \frac{1}{1 + x} = \sum(-1)^n x^n. Intégrez de 0 à x :
Un décalage d'indice donne la forme du tableau. Le rayon reste égal à 1.
Erreurs fréquentes sur ces exercices
- Oublier les bornes. Les exercices 1, 5 et 8 ont tous R = 1 ou R = \frac{1}{2}, mais un comportement différent aux bornes.
- Oublier le centre. Dans l'exercice 4, le centre est 2, donc l'intervalle est 2 \pm 3, et non \pm 3.
- Un mauvais rayon à cause de 2x. Dans l'exercice 8, |2x - 1| < 1 signifie |x - \frac{1}{2}| < \frac{1}{2}, donc R = \frac{1}{2}, et non 1.
- Garder x dans la limite. Dans le critère de d'Alembert, |x| est une constante. Calculez la limite en n, puis résolvez en x.
Continuer à s'entraîner
Pour des séries illimitées avec une correction immédiate, essayez la leçon sur les séries entières et le rayon. Ensuite, apprenez à construire la série de n'importe quelle fonction avec les exercices sur les séries de Taylor.
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Séries entières et rayon de convergence
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