Exercice 3 - Exercice 1

15 min
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Soit nn un nombre entier naturel supérieur ou égal à 22.
On note par SS la série suivante :
S=∑n=2+∞1nln⁡(n)S = \sum_{n=2}^{+\infty} \dfrac{1}{n \ln(n)}
Question 1

Etudier la convergence de SS.

Correction
Soit aa un nombre entier positif ou nul.
On sait que si ff est une fonction continue, positive et croissante sur l'intervalle [a ; +∞[[a \,;\, + \infty[ alors la série ∑n=a+∞f(n)\sum_{n=a}^{+\infty} f(n) et l'intégrale ∫a+∞f(x) dx\int_{a}^{+\infty} f(x) \, dx sont de même nature.
On désigne par II l'intégrale ∫2+∞1xln⁡(x) dx\int_{2}^{+\infty} \dfrac{1}{x \ln(x)} \, dx. On a alors :
I=∫2+∞1xln⁡(x) dx=lim⁡B⟶+∞∫2B1xln⁡(x) dx=lim⁡B⟶+∞∫2B1xln⁡(x) dxI = \int_{2}^{+\infty} \dfrac{1}{x \ln(x)} \, dx = \lim_{B \longrightarrow + \infty} \int_{2}^{B} \dfrac{1}{x \ln(x)} \, dx = \lim_{B \longrightarrow + \infty} \int_{2}^{B} \dfrac{\dfrac{1}{x}}{\ln(x)} \, dx
On pose X=ln⁡(x)X = \ln(x), et de fait dXdx=dln⁡(x)dx=1x\dfrac{dX}{dx} = \dfrac{d \ln(x)}{dx} = \dfrac{1}{x}. Ainsi on a dX=1xdxdX = \dfrac{1}{x} dx. En outre, comme xx va de 22 à BB on en déduit que XX va de ln⁡(2)\ln(2) à ln⁡(B)\ln(B). Ainsi :
I=lim⁡B⟶+∞∫ln⁡(2)ln⁡(B)1X dX=lim⁡B⟶+∞[ln⁡(X)]ln⁡(2)ln⁡(B)=lim⁡B⟶+∞(ln⁡(ln⁡(B))−ln⁡(ln⁡(2)))I = \lim_{B \longrightarrow + \infty} \int_{\ln(2)}^{\ln(B)} \dfrac{1}{X} \, dX = \lim_{B \longrightarrow + \infty} \left[ \ln(X) \right]_{\ln(2)}^{\ln(B)} = \lim_{B \longrightarrow + \infty} \left( \ln\big(\ln(B)\big) - \ln\big(\ln(2)\big) \right)
Soit :
I=−ln⁡(ln⁡(2))+lim⁡B⟶+∞ln⁡(ln⁡(B))=−ln⁡(ln⁡(2))+∞=+∞I = - \ln\big(\ln(2)\big) + \lim_{B \longrightarrow + \infty} \ln\big(\ln(B)\big) = - \ln\big(\ln(2)\big) + \infty = + \infty
Ainsi, on vient de démontrer que l'intégrale I=∫2+∞1xln⁡(x) dxI = \int_{2}^{+\infty} \dfrac{1}{x \ln(x)} \, dx est de nature divergente. De fait, il en va de même pour la série S=∑n=2+∞1nln⁡(n)S = \sum_{n=2}^{+\infty} \dfrac{1}{n \ln(n)}.
La série S=∑n=2+∞1nln⁡(n)S = \sum_{n=2}^{+\infty} \dfrac{1}{n \ln(n)} est divergente.

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