Déterminer le rayon de convergence de la série entière ∑n=0+∞(ln⁡(n!))2\sum_{n = 0}^{+\infty} \big( \ln(n!) \big)^2. - Exercice 1

30 min
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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel.
Déterminer le rayon de convergence de la série entière ∑n=0+∞(ln⁡(n!))2\sum_{n = 0}^{+\infty} \big( \ln(n!) \big)^2.

Correction
Déterminons un équivalent de (ln⁡(n!))2 \big( \ln(n!) \big)^2 lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty.
On a :
ln⁡(n!)=ln⁡ (n×(n−1)×(n−2)×⋯×2×1)=ln⁡(n)+ln⁡(n−1)+ln⁡(n−2)+⋯+ln⁡(2)+ln⁡(1)\ln(n!) = \ln\ \big( n \times (n-1) \times (n-2) \times \cdots \times 2 \times 1 \big) = \ln(n) + \ln(n-1) + \ln (n-2) + \cdots + \ln(2) + \ln(1)
Ainsi :
ln⁡(n!)=∑k=1nln⁡(k)\ln(n!) = \sum_{^k = 1}^n \ln(k)
Considérons maintenant que n⟶+∞n \longrightarrow + \infty. On a alors :
∑k=1nln⁡(k)∼n⟶+∞∫1nln⁡(k) dk\sum_{k = 1}^n \ln(k) \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} \int_1^n \ln(k) \, \mathrm{d}k
Avec une intégration par partie, on obtient :
∫1nln⁡(k) dk=∫1n1×ln⁡(k) dk=[kln⁡(k)−k]1n=nln⁡(n)−n+1=n(ln⁡(n)−1)+1\int_1^n \ln(k) \, \mathrm{d}k = \int_1^n 1 \times \ln(k) \, \mathrm{d}k = \big[ k \ln(k) - k\big]_1^n = n \ln(n) - n + 1 = n \big( \ln(n) -1 \big) + 1
Puis, on a :
n(ln⁡(n)−1)+1∼n⟶+∞nln⁡(n)n \big( \ln(n) -1 \big) + 1 \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} n \ln (n)
D'où, on trouve que :
ln⁡(n!)∼n⟶+∞nln⁡(n)\ln(n!) \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} n \ln (n)
De fait, on en déduit que :
(ln⁡(n!))2∼n⟶+∞n2ln⁡2(n) \big( \ln(n!) \big)^2 \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} n^2 \ln^2 (n)
Notons, pour tout nombre entier naturel nn, an=(ln⁡(n!))2⩾0a_n = \big( \ln(n!) \big)^2 \geqslant 0.
Faisons maintenant usage de la règle de D'Alembert. On a alors :
lim⁡n⟶+∞∣an+1∣∣an∣=lim⁡n⟶+∞an+1an=lim⁡n⟶+∞(ln⁡((n+1)!))2(ln⁡(n!))2\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_n|} = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{\big( \ln((n+1)!) \big)^2}{\big( \ln(n!) \big)^2}
Mais, on peut écrire que :
(ln⁡((n+1)!))2(ln⁡(n!))2∼n⟶+∞(n+1)2ln⁡2(n+1)n2ln⁡2(n)∼n⟶+∞n2ln⁡2(n)n2ln⁡2(n)∼n⟶+∞1\dfrac{\big( \ln((n+1)!) \big)^2}{\big( \ln(n!) \big)^2} \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} \dfrac{(n+1)^2 \ln^2 (n+1)}{n^2 \ln^2 (n)} \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} \dfrac{n^2 \ln^2(n)}{n^2 \ln^2 (n)} \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} 1
On en déduit donc que :
lim⁡n⟶+∞∣an+1∣∣an∣=1\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_n|} = 1.
Ceci nous permet d'affirmer que la rayon de convergence de la série entière considérée est R=11=1R = \dfrac{1}{1} = 1.

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