Exercice 8 - Exercice 1

20 min
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Pour travailler des méthodes fondamentales.
Question 1
Soit kk un nombre entier naturel non nul. Soit nn un nombre entier naturel non nul.

Étudier la nature de la série numérique S=∑n=1+∞∏k=1n(3k−2)3n n!S = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!}.

Correction
Pour statuer sur la nature de cette série, nous allons appliquer la règle de Raabe &\& Duhamel. A cet usage, nous allons poser un=∏k=1n(3k−2)3n n!u_n = \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!}. Dans ce cas, on a le rapport suivant :
un+1un=∏k=1n+1(3k−2)3n+1 (n+1)!∏k=1n(3k−2)3n n!=(3(n+1)−2)∏k=1n(3k−2)3n+1 (n+1)×n!∏k=1n(3k−2)3n n!=(3n+1)∏k=1n(3k−2)3×3n×(n+1)×n!∏k=1n(3k−2)3n n!\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \dfrac{\dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n+1}}(3k-2)}{3^{n+1} \, (n+1)!}}{\dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!}} = \dfrac{\dfrac{(3(n+1)-2)\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^{n+1} \, (n+1) \times n!}}{\dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!}} = \dfrac{\dfrac{(3n+1)\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3 \times 3^n \times (n+1) \times n!}}{\dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!}}
Soit, après simplifications, on obtient :
un+1un=(3n+1)3×(n+1)11(3n+1)3×(n+1)=(3n+1)3×(n+1)11=n+13n+1\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \dfrac{\dfrac{(3n+1)}{3 \times (n+1) }}{{1}{1}} \dfrac{(3n+1)}{3 \times (n+1) } = \dfrac{\dfrac{(3n+1)}{3 \times (n+1) }}{{1}{1}} = \dfrac{n+\dfrac{1}{3}}{ n+1 }
Soit encore, comme nn n'est pas nul :
un+1un=nn1+13n1+1n=1+13n1+1n\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \dfrac{n}{n} \dfrac{1 + \dfrac{1}{3n}}{ 1 + \dfrac{1}{n} } = \dfrac{1 + \dfrac{1}{3n}}{ 1 + \dfrac{1}{n} }
Ce qui nous donne :
un+1un=(1+13n)(1+1n)−1\dfrac{u_{n+1}}{u_n} = \left( 1 + \dfrac{1}{3n} \right) \left( 1 + \dfrac{1}{n} \right)^{-1}
Par passage à la limite lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty on obtient :
un+1un=n⟶+∞(1+13n)(1−1n+o(1n))\dfrac{u_{n+1}}{u_n} \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} \left( 1 + \dfrac{1}{3n} \right) \left( 1 - \dfrac{1}{n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right) \right)
En développant, au premier ordre en 1n\dfrac{1}{n}, on obtient :
un+1un=n⟶+∞1−1n+13n+o(1n)=1−33n+13n+o(1n)\dfrac{u_{n+1}}{u_n} \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} 1 - \dfrac{1}{n} + \dfrac{1}{3n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right) = 1 - \dfrac{3}{3n} + \dfrac{1}{3n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right)
Ainsi on a :
un+1un=n⟶+∞1+1−33n+o(1n)=1+−23n+o(1n)\dfrac{u_{n+1}}{u_n} \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} 1 + \dfrac{1-3}{3n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right) = 1 + \dfrac{-2}{3n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right)
Donc :
un+1un=n⟶+∞1−23n+o(1n)\dfrac{u_{n+1}}{u_n} \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} 1 - \dfrac{2}{3n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right)
Que nous allons écrire sous la forme :
un+1un=n⟶+∞1−23n+o(1n)\dfrac{u_{n+1}}{u_n} \underset{n \longrightarrow + \infty}{=} 1 - \dfrac{{\color{red}{\dfrac{2}{3}}}}{n} + o\left( \dfrac{1}{n} \right)
Comme le coefficient 23{\color{red}{\dfrac{2}{3}}} est plus petit que 11 alors la règle de Raabe &\& Duhamel permet d'affirmer que la série numérique S=∑n=1+∞∏k=1n(3k−2)3n n!S = \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}}(3k-2)}{3^n \, n!} est de nature divergente.

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