Restes et sommes partielles asymptotiques : corrigé du contrôle de maths en MP

Restes et sommes partielles asymptotiques – Corrigé du contrôle en Maths spé (MP) sur Maths-pdf.fr Couverture : Livre de contrôles corrigés de maths MP en PDF Télécharger en PDF Le livre des 25 contrôles corrigés en MP PDF à imprimer Voir le livre ›


Voici le corrigé du contrôle de maths en MP sur le thème « restes et sommes partielles asymptotiques », question par question.

Cette correction rédige chaque question comme une copie de concours, en nommant les théorèmes utilisés. Pour la série du plan, elle montre comment l’identification avec les complexes donne la somme et la norme exacte du reste. Ensuite, les deux exercices de comparaison s’accompagnent d’un dessin des rectangles, car c’est lui qui fixe les bornes des intégrales. Le passage par le théorème de Cesàro est détaillé, puis prolongé par une sommation des équivalents dans le cas divergent. Enfin, le problème isole les hypothèses de chaque étape du lemme sur les restes. Un barème par question et quelques pièges classiques complètent l’ensemble.

L’énoncé complet se trouve ici : Restes et sommes partielles asymptotiques : contrôle de maths en MP.

Barème du contrôle corrigé : restes et sommes partielles asymptotiques

Exercice Points
1. Une ligne brisée qui s’enroule 3 points
2. Reste d’une série de fractions rationnelles 3,5 points
3. Une somme partielle encadrée par deux intégrales 4 points
4. Une récurrence étudiée avec Cesàro 4 points
5. Problème : reste d’une série à quotient convergent 5,5 points
Total 20 points

Le corrigé détaillé : restes et sommes partielles asymptotiques

Exercice 1 – Une ligne brisée qui s’enroule (3 points)

  1. Pour tout \(n\), on a \(\lVert u_n \rVert_2 = \frac{1}{2^n}\sqrt{\cos^2\frac{n\pi}{3} + \sin^2\frac{n\pi}{3}} = \frac{1}{2^n}\). La série \(\sum \lVert u_n \rVert_2\) est donc géométrique de raison \(\frac{1}{2}\), et elle converge. Ainsi \(\sum u_n\) est absolument convergente. Or \(\mathbb{R}^2\) est de dimension finie : une série absolument convergente d’un espace normé de dimension finie converge, ce qui donne l’existence de \(S\).

  2. Le vecteur \(u_n\) correspond au complexe \(\frac{1}{2^n}\mathrm{e}^{\mathrm{i} n\pi/3} = z^n\), avec \(z = \frac{1}{2}\mathrm{e}^{\mathrm{i}\pi/3} = \frac{1}{4} + \mathrm{i}\frac{\sqrt{3}}{4}\). Comme \(\lvert z \rvert = \frac{1}{2} < 1\), la série géométrique complexe donne :

    \[S = \sum_{n=0}^{+\infty} z^n = \frac{1}{1 – z} = \frac{1}{\frac{3}{4} – \mathrm{i}\frac{\sqrt{3}}{4}}.\]

    On multiplie par le conjugué, puis on utilise \(\left\lvert 1 – z \right\rvert^2 = \frac{9}{16} + \frac{3}{16} = \frac{3}{4}\) :

    \[S = \frac{4}{3}\left(\frac{3}{4} + \mathrm{i}\frac{\sqrt{3}}{4}\right) = 1 + \mathrm{i}\frac{\sqrt{3}}{3}.\]

    Donc \(S = \left(1, \frac{\sqrt{3}}{3}\right)\), ce qui est cohérent avec la figure, car \(\frac{\sqrt{3}}{3} \approx 0{,}58\).

  3. Le reste vaut \(S – S_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} z^k = \frac{z^{n+1}}{1 – z}\). Or le module est multiplicatif et \(\lvert 1 – z \rvert = \frac{\sqrt{3}}{2}\), d’où :

    \[\lVert S – S_n \rVert_2 = \frac{1}{2^{n+1}} \times \frac{2}{\sqrt{3}} = \frac{1}{2^n\sqrt{3}}.\]

    Ensuite, \(\frac{1}{2^n\sqrt{3}} \leq \frac{1}{100}\) équivaut à \(2^n\sqrt{3} \geq 100\), soit, en élevant au carré, \(3 \times 4^n \geq 10\,000\). Pour \(n = 5\), on trouve \(3 \times 1024 = 3072\), ce qui ne suffit pas. Pour \(n = 6\), en revanche, \(3 \times 4096 = 12\,288\). Le plus petit entier convenable est \(n = 6\).

Piège classique : majorer seulement le reste par \(\sum_{k>n} 2^{-k} = 2^{-n}\) donne \(n = 7\), car cette borne ne tient pas compte des compensations entre les directions des vecteurs.

Barème : en question 1, la convergence absolue et le recours à la dimension finie valent chacun un demi-point ; la somme complexe de la question 2 vaut un point entier ; en question 3, la norme exacte et le seuil \(n = 6\) rapportent chacun un demi-point.

Exercice 2 – Reste d’une série de fractions rationnelles (3,5 points)

  1. On a \(a_k = \frac{k}{k^4 + 1} \sim \frac{1}{k^3}\), avec \(a_k > 0\). L’exposant 3 dépasse 1, si bien que \(\sum \frac{1}{k^3}\) est une série de Riemann sommable. Des termes positifs équivalents donnant des séries de même nature, \(\sum a_k\) converge.

  2. Encadrement terme à terme

    La fonction \(t \mapsto \frac{1}{t^3}\) est décroissante sur \([1, +\infty[\). Fixons \(k \geq 2\) : la fonction reste au-dessous de la valeur \(\frac{1}{k^3}\) à droite de \(k\), et au-dessus à gauche. Chacun des deux segments \([k-1, k]\) et \([k, k+1]\) mesurant 1, la croissance de l’intégrale fournit :

    \[\int_k^{k+1} \frac{\mathrm{d}t}{t^3} \leq \frac{1}{k^3} \leq \int_{k-1}^{k} \frac{\mathrm{d}t}{t^3}.\]

    Sommation de k = n + 1 à l’infini

    Les intégrales impropres convergent, et la relation de Chasles donne, pour \(n \geq 1\) :

    \[\int_{n+1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^3} \leq \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{1}{k^3} \leq \int_{n}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^3}.\]

    Or \(t \mapsto -\frac{1}{2t^2}\) est une primitive de \(t \mapsto t^{-3}\) qui tend vers 0 en \(+\infty\), d’où l’encadrement demandé. Enfin, les deux bornes sont équivalentes à \(\frac{1}{2n^2}\), car \((n+1)^2 \sim n^2\). Par encadrement du quotient par \(\frac{1}{2n^2}\), on obtient \(\sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{1}{k^3} \sim \frac{1}{2n^2}\).

  3. Théorème (cas convergent). Soit \((b_k)\) une suite de réels positifs telle que \(\sum b_k\) converge. Si \(a_k \sim b_k\), alors \(\sum a_k\) converge et les restes sont équivalents : \(\sum_{k>n} a_k \sim \sum_{k>n} b_k\).

    Ici, \(b_k = \frac{1}{k^3}\) est positif, la série converge, et \(a_k \sim b_k\). Par conséquent, \(R_n \sim \frac{1}{2n^2}\).

  4. D’abord, \(R_n \sim \frac{1}{2n^2}\) avec \(R_n > 0\), donc \(\sum R_n\) converge par comparaison à une série de Riemann. Ensuite, \(n R_n \sim \frac{1}{2n}\), terme général positif d’une série divergente : \(\sum n R_n\) diverge.

Barème : la convergence initiale compte un demi-point ; l’encadrement terme à terme, sa sommation et l’équivalent obtenu se partagent ensuite le point et demi de la question 2 à parts égales ; le théorème correctement énoncé puis appliqué rapporte un point ; la nature des deux séries finales vaut un demi-point.

Exercice 3 – Une somme partielle encadrée par deux intégrales (4 points)

  1. La fonction \(f\) est dérivable sur \([1, +\infty[\), et pour \(t \geq 1\) :

    \[f^{\prime}(t) = \frac{\ln t}{2\sqrt{t}} + \frac{1}{\sqrt{t}} = \frac{\ln t + 2}{2\sqrt{t}} > 0,\]

    car \(\ln t \geq 0\). Ainsi \(f\) est croissante, et \(f(t) \geq f(1) = 0\).

  2. Soit \(k \geq 2\). Comme \(f\) est croissante, on a \(f(t) \leq f(k)\) sur \([k-1, k]\) et \(f(t) \geq f(k)\) sur \([k, k+1]\). En intégrant, il vient :

    \[\int_{k-1}^{k} f(t)\,\mathrm{d}t \leq f(k) \leq \int_{k}^{k+1} f(t)\,\mathrm{d}t.\]

    On somme ensuite pour \(k\) allant de 2 à \(n\), puis on utilise \(f(1) = 0\), si bien que \(S_n = \sum_{k=2}^{n} f(k)\). La relation de Chasles donne alors \(\int_1^n f \leq S_n \leq \int_2^{n+1} f\). La figure ci-dessous illustre le cas \(n = 6\) : à gauche, les rectangles orange dépassent la courbe ; à droite, les rectangles verts restent sous elle.

    Deux graphiques de la courbe de f avec rectangles de largeur 1 au-dessus puis au-dessous, encadrant la somme S6 par deux intégrales
  3. Intégration par parties

    On pose \(u(t) = \ln t\) et \(v(t) = \frac{2}{3}t^{3/2}\), fonctions de classe \(\mathcal{C}^1\) sur \([1, x]\). Alors :

    \[F(x) = \left[\frac{2}{3}t^{3/2}\ln t\right]_1^x – \int_1^x \frac{2}{3}t^{3/2} \times \frac{1}{t}\,\mathrm{d}t = \frac{2}{3}x^{3/2}\ln x – \frac{4}{9}\left(x^{3/2} – 1\right).\]

    Passage à l’équivalent

    D’une part, \(F(n) \sim \frac{2}{3}n^{3/2}\ln n\), car \(n^{3/2} = o\left(n^{3/2}\ln n\right)\). D’autre part, \(f \geq 0\) donne \(\int_2^{n+1} f \leq F(n+1)\). De plus, \((n+1)^{3/2} \sim n^{3/2}\) et l’écart \(\ln(n+1) – \ln n\) tend vers 0 tandis que \(\ln n \to +\infty\), ce qui donne \(\ln(n+1) \sim \ln n\) ; ainsi \(F(n+1) \sim \frac{2}{3}n^{3/2}\ln n\) aussi. On divise alors l’encadrement \(F(n) \leq S_n \leq F(n+1)\) par \(\frac{2}{3}n^{3/2}\ln n\) : les deux bornes tendent vers 1, donc \(S_n \sim \frac{2}{3}n^{3/2}\ln n\).

  4. Pour \(k \geq 2\), on a \(\ln(k+3) – \ln k = \ln\left(1 + \frac{3}{k}\right) \to 0\), alors que \(\ln k \to +\infty\) ; par suite \(\ln(k+3) \sim \ln k\), puis \(\sqrt{k}\ln(k+3) \sim \sqrt{k}\ln k\). Les termes \(\sqrt{k}\ln k\) sont positifs et la série correspondante diverge, puisque \(S_n \to +\infty\).

    Le théorème de sommation des équivalents, dans le cas divergent, donne donc \(\sum_{k=2}^{n} \sqrt{k}\ln(k+3) \sim S_n\). Enfin, le premier terme \(\ln 4\) de \(T_n\) est négligeable devant \(S_n\). Par conséquent, \(T_n \sim \frac{2}{3}n^{3/2}\ln n\).

Piège classique : sommer des équivalents sans vérifier la divergence de la série de référence ; dans le cas convergent, ce sont les restes, et non les sommes partielles, qui sont équivalents.

Barème : l’étude de \(f\) vaut un demi-point ; l’encadrement par les rectangles rapporte un point, dont la moitié pour la sommation de Chasles ; l’expression de \(F\) et le passage à l’équivalent comptent trois quarts de point chacun ; enfin la somme \(T_n\) vaut un point.

Exercice 4 – Une récurrence étudiée avec Cesàro (4 points)

  1. Premiers termes

    On trouve \(u_1 = g(1) = \frac{1}{3}\), puis \(u_2 = \frac{1/3}{1 + 1/3 + 1/9} = \frac{1}{3} \times \frac{9}{13}\), soit \(u_2 = \frac{3}{13}\).

    Monotonie et limite

    Le dénominateur \(1 + x + x^2\) ne s’annule pas sur \(\mathbb{R}_+\), et \(g(x) > 0\) quand \(x > 0\). Par récurrence, \((u_n)\) est donc bien définie et strictement positive. De plus, \(u_{n+1} = \frac{u_n}{1 + u_n + u_n^2} \leq u_n\), car le dénominateur dépasse 1 : la suite décroît. Étant minorée par 0, elle converge vers un réel \(\ell \geq 0\). Comme \(g\) est continue, \(\ell = g(\ell)\), d’où \(\ell\left(\ell + \ell^2\right) = 0\), c’est-à-dire \(\ell^2(1 + \ell) = 0\). Ainsi \(u_n \to 0\).

  2. Pour tout \(n\), \(\frac{1}{u_{n+1}} = \frac{1 + u_n + u_n^2}{u_n} = \frac{1}{u_n} + 1 + u_n\), donc \(\frac{1}{u_{n+1}} – \frac{1}{u_n} = 1 + u_n\).

    Théorème de Cesàro. Si une suite réelle \((v_n)\) converge vers \(\ell\), alors la moyenne \(\frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} v_k\) converge aussi vers \(\ell\).

    On l’applique à \(v_k = \frac{1}{u_{k+1}} – \frac{1}{u_k} = 1 + u_k\), qui tend vers 1. La somme est télescopique : \(\frac{1}{n}\left(\frac{1}{u_n} – \frac{1}{u_0}\right) \to 1\). Or \(\frac{1}{n u_0} \to 0\), donc \(\frac{1}{n u_n} \to 1\). On en déduit \(u_n \sim \frac{1}{n}\).

  3. Le terme en logarithme

    En sommant la relation précédente de \(k = 0\) à \(n – 1\), on obtient l’égalité exacte \(\frac{1}{u_n} = 1 + n + \sum_{k=0}^{n-1} u_k\). Ensuite, \(u_k \sim \frac{1}{k}\), terme positif d’une série divergente. La sommation des équivalents (cas divergent) donne alors \(\sum_{k=1}^{n-1} u_k \sim \sum_{k=1}^{n-1} \frac{1}{k} \sim \ln n\). Les constantes \(1\) et \(u_0\) étant négligeables devant \(\ln n\), on a \(\frac{1}{u_n} = n + \ln n + o(\ln n)\).

    Inversion du développement

    On factorise par \(n\) : \(\frac{1}{u_n} = n(1 + h_n)\), où \(h_n = \frac{\ln n}{n} + o\left(\frac{\ln n}{n}\right) \to 0\). Puis \(\frac{1}{1 + h_n} = 1 – h_n + o(h_n)\), d’où :

    \[u_n = \frac{1}{n}\left(1 – \frac{\ln n}{n} + o\left(\frac{\ln n}{n}\right)\right).\]

    Finalement, \(u_n = \frac{1}{n} – \frac{\ln n}{n^2} + o\left(\frac{\ln n}{n^2}\right)\).

Barème : les deux premiers termes valent un quart de point et l’étude de la monotonie trois quarts ; la relation télescopique, l’énoncé de Cesàro et l’équivalent de \(u_n\) se partagent ensuite un point et demi ; le terme logarithmique rapporte un point, puis l’inversion du développement un demi-point.

Exercice 5 – Problème : reste d’une série à quotient convergent (5,5 points)

A. Convergence de la série

  1. Comme \(\frac{a_{n+1}}{a_n} \to q < r\), il existe un rang \(N\) tel que \(\frac{a_{n+1}}{a_n} \leq r\) pour tout \(n \geq N\). Une récurrence immédiate donne alors \(a_n \leq a_N\, r^{n-N}\) pour \(n \geq N\). Le majorant est le terme général d’une suite géométrique de raison \(r\) strictement inférieure à 1, dont la série est sommable. Les \(a_n\) étant positifs, le critère de majoration assure que \(\sum a_n\) converge.

  2. Le reste \(R_n\) est une somme de termes strictement positifs, donc \(R_n \geq a_{n+1} > 0\). De plus, en isolant le premier terme de \(R_{n-1} = \sum_{k=n}^{+\infty} a_k\), on obtient \(R_{n-1} = a_n + R_n\).

Barème de la partie A : la preuve de la règle de d’Alembert vaut un point, partagé entre le choix du rang et la majoration géométrique ; la relation entre restes vaut un demi-point.

B. Un équivalent du reste

  1. Convergence de la série auxiliaire

    La suite \((\varepsilon_k)\) converge, elle est donc bornée par une constante \(M\). Ainsi \(\lvert \varepsilon_k a_k \rvert \leq M a_k\), et la série \(\sum \varepsilon_k a_k\) est absolument convergente, donc convergente.

    Relation entre deux restes

    Par définition, \(a_{k+1} = (q + \varepsilon_k)\, a_k\). On réindexe ensuite le reste, ce qui est légitime puisque toutes les séries en jeu convergent :

    \[R_n = \sum_{k=n}^{+\infty} a_{k+1} = q\sum_{k=n}^{+\infty} a_k + \sum_{k=n}^{+\infty} \varepsilon_k a_k.\]

    Comme \(\sum_{k=n}^{+\infty} a_k = R_{n-1}\), on a bien \(R_n = q R_{n-1} + \sum_{k=n}^{+\infty} \varepsilon_k a_k\).

  2. Le réel \(\delta_n\) existe, car \((\varepsilon_k)\) est bornée. Pour \(k \geq n\), on a \(\lvert \varepsilon_k \rvert a_k \leq \delta_n a_k\). Par l’inégalité triangulaire, puis par sommation :

    \[\left\lvert \sum_{k=n}^{+\infty} \varepsilon_k a_k \right\rvert \leq \delta_n \sum_{k=n}^{+\infty} a_k = \delta_n R_{n-1}.\]

    De plus, \(\delta_n \to 0\), puisque \(\varepsilon_k \to 0\). Comme \(R_{n-1} > 0\), le quotient \(\frac{1}{R_{n-1}}\sum_{k \geq n} \varepsilon_k a_k\) tend vers 0. Donc \(R_n = q R_{n-1} + o(R_{n-1})\).

  3. On écrit \(R_n = (q + \eta_n) R_{n-1}\), avec \(\eta_n \to 0\). On remplace ensuite \(R_{n-1}\) par \(a_n + R_n\) :

    \[R_n\left(1 – q – \eta_n\right) = (q + \eta_n)\, a_n.\]

    Pour \(n\) assez grand, \(1 – q – \eta_n > 0\), car \(q < 1\). Alors \(R_n = \frac{q + \eta_n}{1 – q – \eta_n}\, a_n\), et le quotient tend vers \(\frac{q}{1 – q} \neq 0\). Par conséquent, \(R_n \sim \frac{q}{1 – q}\, a_n\).

Piège classique : écrire directement \(a_{k+1} \sim q a_k\) puis « sommer » sans contrôle ; la partie B montre précisément comment justifier ce passage avec \(\delta_n\).

Barème de la partie B : un point pour la première question, où la série auxiliaire et la relation comptent autant ; trois quarts de point pour la majoration par \(\delta_n R_{n-1}\) ; trois quarts de point pour l’équivalent final.

C. Deux exemples

  1. Pour \(a_n = \frac{n^3}{4^n} > 0\), on calcule \(\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{1}{4}\left(1 + \frac{1}{n}\right)^3 \to \frac{1}{4}\). La partie B s’applique donc avec \(q = \frac{1}{4}\), et \(\frac{q}{1 – q} = \frac{1/4}{3/4} = \frac{1}{3}\). Ainsi \(\sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{k^3}{4^k} \sim \frac{n^3}{3 \times 4^n}\).

  2. Pour \(a_n = \frac{1}{n^2}\), la fonction \(t \mapsto \frac{1}{t^2}\) est décroissante. La même comparaison série-intégrale qu’à l’exercice 2 place alors \(R_n\) entre \(\frac{1}{n+1}\) et \(\frac{1}{n}\), d’où \(n R_n \to 1\). Par suite, \(\frac{R_n}{a_n} \sim \frac{n^2}{n} = n\). Ainsi \(\frac{R_n}{a_n} \to +\infty\), alors que la formule de la partie B ferait intervenir un dénominateur \(1 – q\) nul.

Barème de la partie C : trois quarts de point pour l’exemple en puissances de 4 ; trois quarts de point aussi pour le contre-exemple, dont un quart pour la conclusion sur le quotient.

À retenir de ce contrôle

  • En dimension finie, une série absolument convergente converge, et la norme de son reste est majorée par le reste de la série des normes.
  • Pour sommer des équivalents, les termes doivent garder un signe constant : on compare les restes si la série converge, les sommes partielles sinon.
  • Quand f est monotone, l’intégrale de f entre k-1 et k et celle entre k et k+1 encadrent f(k) ; le dessin des rectangles indique le sens.
  • Si la différence de deux termes consécutifs de (1/u_n) tend vers une limite non nulle, le théorème de Cesàro donne aussitôt un équivalent de u_n.
  • Lorsque le quotient a_(n+1)/a_n tend vers q compris strictement entre 0 et 1, le reste est équivalent à q a_n divisé par 1-q.

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Consolider restes et sommes partielles asymptotiques après ce corrigé

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