Exercice 10 - Exercice 1

20 min
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Pour s'entrainer !
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul.

Étudier la nature de la série numérique S=∑n=1+∞ln⁡(nsin⁡(1n))S = \sum_{n=1}^{+\infty} \ln \left( n \sin\left(\dfrac{1}{n}\right) \right).

Correction
Pour statuer sur la nature de cette série, nous allons utiliser une équivalence à une série de Riemann. A cet usage, nous allons réaliser un passage à la limite lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty. On obtient, au troisième ordre en 1n\dfrac{1}{n} :
un=n⟶+∞ln⁡(n(1n−16n3+o(1n3)))u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} \ln \left( n \left(\dfrac{1}{n} - \dfrac{1}{6n^3} + o\left( \dfrac{1}{n^3} \right) \right) \right)
De fait, on a :
un=n⟶+∞ln⁡(nn−n6n3+o(nn3))u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} \ln \left( \dfrac{n}{n} - \dfrac{n}{6n^3} + o\left( \dfrac{n}{n^3} \right) \right)
Ce qui nous donne :
un=n⟶+∞ln⁡(1−16n2+o(1n2))u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} \ln \left( 1 - \dfrac{1}{6n^2} + o\left( \dfrac{1}{n^2} \right) \right)
En développant cette expression au premier ordre en 1n2\dfrac{1}{n^2}, on trouve que :
un=n⟶+∞−16n2+o(1n2)u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} - \dfrac{1}{6n^2} + o\left( \dfrac{1}{n^2} \right)
On peut donc écrire que :
un∼n⟶+∞−16n2u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} - \dfrac{1}{6n^2}
Ce qui implique que :
∑n=1+∞un∼n⟶+∞∑n=1+∞(−16n2)\sum_{n=1}^{+\infty} u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} \sum_{n=1}^{+\infty} \left( - \dfrac{1}{6n^2} \right)
Soit :
∑n=1+∞un∼n⟶+∞−16∑n=1+∞1n2\sum_{n=1}^{+\infty} u_n \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} - \dfrac{1}{6} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
Soit encore :
S∼n⟶+∞−16∑n=1+∞1n2S \underset{n \longrightarrow + \infty}{\sim} - \dfrac{1}{6} \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}
On reconnait l'équivalence à la série une série ∑n=1+∞1n2\sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2} qui est une série de Riemann convergente.
En conséquence, la série S=∑n=1+∞ln⁡(nsin⁡(1n))S = \sum_{n=1}^{+\infty} \ln \left( n \sin\left(\dfrac{1}{n}\right) \right) est de nature convergente.

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