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

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 $\sum a_n x^n$ où $a_n \in \mathbb{R}$.

  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 continue et dérivable sur $]-R, R[$.

Méthodes à maîtriser

  • Déterminer $R$ par d'Alembert ou Cauchy.
  • Étudier la convergence aux bornes $x=R$ et $x=-R$.
  • Utiliser les développements usuels : $e^x = \sum \frac{x^n}{n!}$, $\frac{1}{1-x} = \sum x^n$, $\ln(1+x) = \sum (-1)^{n-1} \frac{x^n}{n}$.

Exemples corrigés

Exemple 1 : $\sum \frac{x^n}{n!}$. On a $a_n = \frac{1}{n!}$. $\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{n!}{(n+1)!} = \frac{1}{n+1} \to 0$. Donc $R = +\infty$. Exemple 2 : $\sum x^n$. On a $a_n = 1$. $R=1$. Aux bornes $x=1$ et $x=-1$, la série diverge (terme général ne tend pas vers 0).

Erreurs fréquentes

  • Oublier d'étudier la convergence aux bornes $R$ et $-R$.
  • Confondre le rayon de convergence d'une série $\sum a_n x^n$ avec celle de $\sum a_n x^{2n}$.
  • Appliquer d'Alembert alors que $a_n$ contient des termes nuls (utiliser Cauchy dans ce cas).

🌉 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 $\sum \frac{x^n}{2^n}$ est :

❓ Questions fréquentes

Chno huwa l-farq bin s-selsila l-3adiya w s-selsila s-sahiha?

Une série numérique est une somme de nombres constants. Une série entière est une somme de fonctions de la forme $a_n x^n$ où $x$ est une variable. La série entière permet de définir des fonctions (comme $e^x$ ou $\sin x$).

💡 À retenir : La série entière est une "famille" de séries numériques indexée par $x$.

Si j'ai une série avec x^{2n}, comment je trouve R ?

Pose $X = x^2$. La série devient $\sum a_n X^n$. Calcule le rayon $R_X$ pour cette série en $X$. Ensuite, résous l'inéquation $|x^2| < R_X$, ce qui donne $|x| < \sqrt{R_X}$. Le rayon de la série initiale est donc $R = \sqrt{R_X}$.

💡 À retenir : Ne pas oublier la racine carrée pour revenir à $x$.

Kifach n7seb R ila kan 3ndi an fih l-factorielle?
  1. Applique la règle de d'Alembert : calcule la limite $L = \lim_{n \to +\infty} |\frac{a_{n+1}}{a_n}|$.
  2. Si $L$ est un réel non nul, $R = 1/L$.
  3. Si $L=0$, alors $R = +\infty$.
  4. Si $L=+\infty$, alors $R = 0$.

💡 À retenir : Pour les factorielles, d'Alembert simplifie presque toujours le calcul grâce à $(n+1)! = (n+1)n!$.

Est-ce que la série converge toujours aux bornes x=R et x=-R ?

Non, pas forcément. Le rayon de convergence ne donne aucune information sur les bornes. Il faut étudier la nature de la série numérique obtenue en remplaçant $x$ par $R$ et par $-R$ séparément (série de Riemann, série alternée, etc.).

💡 À retenir : La convergence aux bornes doit être étudiée au cas par cas après avoir trouvé $R$.

Chno hiya l-3alaqa bin l-chtiqaq w s-selsila s-sahiha?

Si une série entière $\sum a_n x^n$ a un rayon de convergence $R > 0$, alors sa fonction somme $S(x)$ est dérivable sur $]-R, R[$ et sa dérivée est donnée par $S'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} n a_n x^{n-1}$.

💡 À retenir : On peut dériver terme à terme à l'intérieur du disque de convergence sans changer le rayon $R$.

Comment déterminer le développement en série entière de frac{1}{1+x^2} ?
  1. On utilise la série géométrique $\frac{1}{1-u} = \sum_{n=0}^{+\infty} u^n$ pour $|u| < 1$.
  2. On pose $u = -x^2$.
  3. On obtient $\frac{1}{1-(-x^2)} = \sum_{n=0}^{+\infty} (-x^2)^n = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n x^{2n}$.

💡 À retenir : Le rayon de convergence est celui de la série géométrique initiale, ici $R=1$.

Kifach n3ref wach s-selsila kat-converger f-koulchi?

Une série entière converge sur $\mathbb{R}$ tout entier si et seulement si son rayon de convergence $R$ est égal à $+\infty$. Cela arrive souvent quand le terme général contient $n!$ au dénominateur (ex: $e^x, \sin x, \cos x$).

💡 À retenir : Si $\lim_{n \to +\infty} |\frac{a_{n+1}}{a_n}| = 0$, alors $R = +\infty$.

Peut-on multiplier deux séries entières ?

Oui, le produit de Cauchy de deux séries entières $\sum a_n x^n$ et $\sum b_n x^n$ est une série entière $\sum c_n x^n$ où $c_n = \sum_{k=0}^n a_k b_{n-k}$. Le rayon de convergence du produit est au moins égal au minimum des deux rayons.

💡 À retenir : Le produit de Cauchy est utile pour manipuler des fonctions complexes.

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

Pour les séries entières, à l'intérieur du disque de convergence ($|x| < R$), la série converge absolument. La convergence simple est donc équivalente à la convergence absolue dans cet intervalle ouvert.

💡 À retenir : La distinction n'est importante qu'aux bornes $x=R$ ou $x=-R$.

Est-ce que la fonction somme est toujours continue ?

Oui, toute fonction définie par une série entière est continue sur son intervalle ouvert de convergence $]-R, R[$.

💡 À retenir : La continuité est une propriété fondamentale des séries entières à l'intérieur de leur disque de convergence.

Comment intégrer une série entière ?

Si $S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^n$ sur $]-R, R[$, alors pour tout $x \in ]-R, R[$, $\int_0^x S(t) dt = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n \frac{x^{n+1}}{n+1}$.

💡 À retenir : L'intégration terme à terme préserve le rayon de convergence $R$.

Est-ce que le rayon de convergence peut être nul ?

Oui, si la série ne converge qu'en $x=0$. Par exemple, pour $\sum n! x^n$, le rapport $\frac{(n+1)!}{n!} = n+1$ tend vers $+\infty$, donc $R=0$.

💡 À retenir : Une série entière avec $R=0$ ne définit une fonction qu'en un seul point.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Déterminer le rayon de convergence $R$ de la série entière $\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{n^2}{3^n} x^n$. Étudier la convergence aux bornes.

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Exercice 2

Soit $f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n+1}$.

  1. Déterminer le rayon de convergence $R$.
  2. Calculer $f(x)$ pour $x \in ]-R, R[$.
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Exercice 3

Déterminer le développement en série entière de $f(x) = \frac{1}{(1-x)(2-x)}$.

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