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

30 min
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Question 1

Soit nn un nombre entier naturel non nul.
Déterminer le rayon de convergence de la série entière ∑n=1+∞xnln⁡(n)\sum_{n=1}^{+\infty} x^n \ln(n).
Puis, étudier ce qui se passe sur la bord du disque de convergence.

Correction
Faisons usage de la règle de D'Alembert.
Pour tout nombre entier naturel non nul nn, posons an=ln⁡(n)⩾0a_n = \ln(n) \geqslant 0.
On a alors :
lim⁡n⟶+∞∣an+1∣∣an∣=lim⁡n⟶+∞an+1an=lim⁡n⟶+∞ln⁡(n+1)ln⁡(n)\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{\ln(n+1)}{\ln(n)}
Or, on a :
ln⁡(n+1)ln⁡(n)=ln⁡(n(1+1n))ln⁡(n)=ln⁡(n)+ln⁡(1+1n)ln⁡(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} = \dfrac{\ln\left( n \left( 1 + \dfrac{1}{n} \right) \right)}{\ln(n)} = \dfrac{\ln(n) + \ln\left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)}{\ln(n)}
Lorsque nn va tendre vers +∞+\infty, on aura de fait ln⁡(n)≠0\ln(n) \neq 0. Donc, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, on a :
ln⁡(n+1)ln⁡(n)∼+∞1+ln⁡(1+1n)ln⁡(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{\ln\left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)}{\ln(n)}
Soit encore :
ln⁡(n+1)ln⁡(n)∼+∞1+1nln⁡(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{\dfrac{1}{n}}{\ln(n)}
Ainsi, on obtient :
ln⁡(n+1)ln⁡(n)∼+∞1+1nln⁡(n)\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{1}{n\ln(n)}
Mais, par croissances comparées, on sait que :
lim⁡n⟶+∞1nln⁡(n)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n\ln(n)} = 0
Donc, on obtient :
ln⁡(n+1)ln⁡(n)∼+∞1+0=1\dfrac{\ln(n+1)}{\ln(n)} \underset{+\infty}{\sim} 1 + 0 = 1
Ainsi :
lim⁡n⟶+∞∣an+1∣∣an∣=1\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{|a_{n+1}|}{|a_{n}|} = 1
On peut donc affirmer que la rayon de convergence de la série entière proposée est R=1R = 1.
Puis, lorsque ∣x∣=1|x| = 1, nous sommes naturellement conduit à nous intéresser à la série numérique ∑n=1+∞ln⁡(n)\sum_{n=1}^{+\infty} \ln(n). Or, sur R+⋆\mathbb{R}^{+\star}, la fonction ln⁡\ln est strictement croissante et, sur [1 ; +∞[[1 \,;\, + \infty[, cette fonction est positive. De fait la série numérique ∑n=1+∞ln⁡(n)\sum_{n=1}^{+\infty} \ln(n) est divergente.
On peut donc affirmer que la série entière proposée est convergente pour −1<x<1-1 < x < 1.

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