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Mathématiques · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — PSI

Séries entières

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Une série entière est une série de fonctions de la forme $\sum a_n x^n$.

  1. Rayon de convergence ($R$) : Il existe un unique $R \in [0, +\infty]$ tel que la série converge absolument pour $|x| < R$ et diverge pour $|x| > R$.
  2. Calcul de $R$ : On utilise souvent la règle de d'Alembert : si $\lim_{n \to +\infty} |\frac{a_{n+1}}{a_n}| = L$, alors $R = \frac{1}{L}$.
  3. Propriétés : La fonction somme $S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^n$ est de classe $C^\infty$ sur $]-R, R[$. On peut dériver et intégrer terme à terme.

Méthodes à maîtriser

  1. Déterminer $R$ : Appliquer d'Alembert ou Cauchy. Si $a_n$ contient des factorielles, d'Alembert est privilégié.
  2. Développement en série entière (DSE) : Utiliser les DSE usuels ($e^x, \ln(1+x), \frac{1}{1-x}$, etc.) et les opérations (somme, produit, dérivation).
  3. Calcul de somme : Reconnaître une série géométrique ou une série dérivée d'une série géométrique.

Exemples corrigés

  1. DSE de $f(x) = \frac{1}{1+x^2}$ : On sait que $\frac{1}{1-u} = \sum u^n$. En posant $u = -x^2$, on obtient $\sum (-1)^n x^{2n}$ pour $|x| < 1$.
  2. Rayon de $e^x$ : $a_n = \frac{1}{n!}$. $|\frac{a_{n+1}}{a_n}| = \frac{n!}{(n+1)!} = \frac{1}{n+1} \to 0$. Donc $R = +\infty$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de préciser l'intervalle de convergence.
  • Croire que la série converge toujours aux bornes $x = R$ ou $x = -R$.
  • Confondre la série dérivée avec la dérivée de la somme (bien que ce soit égal, la justification par la convergence uniforme est nécessaire).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Séries entières

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Le rayon de convergence de $\sum \frac{x^n}{n!}$ est :

❓ Questions fréquentes

Kifach n-l9a R ila kan l-coefficient an fih factorielle?
  1. Ktab l-hadd l-3am $u_n(x) = a_n x^n$.
  2. Hseb l-limite dyal $|\frac{a_{n+1}}{a_n}|$ lamma $n \to +\infty$.
  3. Ila l-limite hiya $L$, $R = 1/L$.
  4. Ila kan $L=0$, $R=+\infty$. Ila kan $L=+\infty$, $R=0$.

💡 À retenir : D'Alembert hiya l-a7san tari9a m3a l-factorielle.

Wach dima l-convergence katkon f-l-bornes x=R et x=-R?

Non, machi dima. F-l-bornes, khassk t-dres l-convergence dyal s-selsila 3adadiya li kat-7sel 3liha.

💡 À retenir : L-convergence f-l-bornes khassha d-rasa moustaqila.

Chno hiya l-3ala9a bin s-selsila l-asliya o s-selsila l-mouchta9a?
  1. S-selsila l-mouchta9a hiya $\sum n a_n x^{n-1}$.
  2. 3ndhom nafs rayone de convergence $R$.
  3. L-moujmo3 dyal s-selsila l-mouchta9a howa l-mouchta9a dyal l-moujmo3 dyal s-selsila l-asliya.

💡 À retenir : L-mouchta9a kat-7afed 3la nafs R.

Comment justifier la dérivabilité de la fonction somme ?

On utilise le théorème de dérivation terme à terme : si la série $\sum a_n x^n$ a un rayon $R > 0$, alors la fonction somme est $C^\infty$ sur $]-R, R[$ et sa dérivée est la somme de la série dérivée.

Quelle est la différence entre convergence simple et convergence uniforme pour les séries entières ?

Sur tout segment $[a, b] \subset ]-R, R[$, la série entière converge normalement, donc uniformément. La convergence simple est assurée sur $]-R, R[$.

Comment calculer la somme sum{n=1}^{+infty} n x^n ?

On reconnaît la dérivée de la série géométrique $\sum x^n = \frac{1}{1-x}$. En dérivant, on obtient $\sum n x^{n-1} = \frac{1}{(1-x)^2}$, donc $\sum n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}$.

Peut-on multiplier deux séries entières ?

Oui, par le produit de Cauchy : $(\sum a_n x^n)(\sum b_n x^n) = \sum c_n x^n$ avec $c_n = \sum_{k=0}^n a_k b_{n-k}$.

Que faire si an ne tend pas vers 0 ?

Si $a_n$ ne tend pas vers 0, la série diverge pour tout $x \neq 0$. Le rayon de convergence est alors $R = 0$.

Comment intégrer une série entière ?

On intègre terme à terme : $\int_0^x (\sum a_n t^n) dt = \sum \frac{a_n}{n+1} x^{n+1}$. Le rayon de convergence reste inchangé.

Est-ce que le rayon de convergence dépend de x ?

Non, le rayon de convergence est une constante qui dépend uniquement de la suite des coefficients $(a_n)$.

Qu'est-ce qu'un développement en série entière usuel ?

Ce sont les DSE des fonctions classiques comme $e^x$, $\sin(x)$, $\cos(x)$, $\ln(1+x)$ et $(1+x)^\alpha$ valables au voisinage de 0.

Comment prouver qu'une fonction est développable en série entière ?

Il faut montrer qu'elle est $C^\infty$ et que le reste de Taylor $R_n(x)$ tend vers 0 quand $n \to +\infty$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Déterminer le rayon de convergence $R$ de la série entière $\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{n^2}{2^n} x^n$.

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Exercice 2

Déterminer le DSE en 0 de $f(x) = \ln(1+x)$ et préciser son rayon de convergence.

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Exercice 3

Calculer la somme $S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (n+1) x^n$ pour $|x| < 1$.

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