Exercice Entrainement 8 - Exercice 1

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Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul et soit kk un nombre entier naturel non nul inférieur ou égal à nn.

Étudier la convergence de la série suivante : Sh=∑n=1+∞(∏k=1n(3k−2)!3nn!)S_h = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}} (3k-2) !}{3^n n!} \right)

Correction
Soit nn un nombre entier naturel non nul et soit kk un nombre entier naturel non nul inférieur ou égal à nn.
Nous allons poser :
un=∏k=1n(3k−2)!3nn!u_n = \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n}} (3k-2) !}{3^n n!}
▼  \blacktriangledown \,\, Premieˋre eˊtape : le criteˋre de d’Alembert\textbf{Première étape : le critère de d'Alembert}
Appliquons le critère de d’Alembert\textit{d'Alembert}. On a :
∣un+1un∣=∣∏k=1n+1(3k−2)!3n+1(n+1)!∏k=1n(3k−2)!3nn!∣=∣∏k=1n+1(3k−2)!3n+1(n+1)!×3nn!∏k=1n(3k−2)!∣=∣3(n+1)−23(n+1)×11∣\left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| = \left| \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!} } \right|= \left| \dfrac{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n+1}} (3k-2) !}{3^{n+1} (n+1)!} \times \dfrac{3^n n!}{\displaystyle{\prod_{k=1}^{n} (3k-2) !}} \right| = \left| \dfrac{3(n+1)-2}{3(n+1)} \times \dfrac{1}{1} \right|
Soit :
∣un+1un∣=3n+13n+3      ⟹      lim⁡n⟶+∞=∣un+1un∣=lim⁡n⟶+∞3n+13n+3=1\left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| = \dfrac{3n+1}{3n+3} \,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, \lim_{n \longrightarrow + \infty} = \left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{3n+1}{3n+3} = 1
Le critère de d’Alembert\textit{d'Alembert} est donc mis en échec.
▼  \blacktriangledown \,\, Deuxieˋme eˊtape : le criteˋre de Raabe-Duhamel\textbf{Deuxième étape : le critère de Raabe-Duhamel}
Appliquons le critère de Raabe-Duhamel\textit{Raabe-Duhamel}. On a :
lim⁡n⟶+∞n(1−∣un+1un∣)=lim⁡n⟶+∞n(1−3n+13n+3)=lim⁡n⟶+∞n(3n+33n+3−3n+13n+3)\lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( 1 - \left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( 1 - \dfrac{3n+1}{3n+3} \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( \dfrac{3n+3}{3n+3} - \dfrac{3n+1}{3n+3} \right)
Donc :
lim⁡n⟶+∞n(1−∣un+1un∣)=lim⁡n⟶+∞n(3n+3−3n−13n+3)=lim⁡n⟶+∞n(23n+3)\lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( 1 - \left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( \dfrac{3n+3 -3n-1}{3n+3} \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( \dfrac{2}{3n+3} \right)
Ainsi :
lim⁡n⟶+∞n(1−∣un+1un∣)=lim⁡n⟶+∞2n3n+3=lim⁡n⟶+∞23nn11+1n=23\lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( 1 - \left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{2n}{3n+3} = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{2}{3} \dfrac{n}{n}\dfrac{1}{1+\dfrac{1}{n}} = \dfrac{2}{3}
On constate alors que :
0⩽lim⁡n⟶+∞n(1−∣un+1un∣)<10 \leqslant \lim_{n \longrightarrow + \infty} n \left( 1 - \left| \dfrac{u_{n+1}}{u_n} \right| \right) < 1
Donc, d'après le critère de Raabe-Duhamel\textit{Raabe-Duhamel}, on peut donc affirmer que la série numérique ShS_h diverge.

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