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

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 $a_n \in \mathbb{C}$ et $x \in \mathbb{C}$.

  1. Lemme d'Abel : Si la suite $(a_n z_0^n)$ est bornée, alors pour tout $z$ tel que $|z| < |z_0|$, la série $\sum a_n z^n$ converge absolument.
  2. Rayon de convergence : Il existe un unique $R \in [0, +\infty]$ tel que la série converge absolument pour $|x| < R$ et diverge pour $|x| > R$.
  3. Propriétés : La 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

  • Calcul de R : Utiliser la règle de d'Alembert $\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|} \to \frac{1}{R}$ ou le critère de Cauchy $\sqrt[n]{|a_n|} \to \frac{1}{R}$.
  • Développement en série entière : Utiliser les développements usuels ($e^x, \ln(1+x), \frac{1}{1-x}, \sin x, \cos x$) et les opérations (somme, produit, composition).
  • Étude aux bornes : Si $R$ est fini, tester la convergence en $x=R$ et $x=-R$ avec les séries numériques.

Exemples corrigés

  • Série géométrique : $\sum x^n$ a pour rayon $R=1$. Pour $|x|<1$, $\sum_{n=0}^{+\infty} x^n = \frac{1}{1-x}$.
  • Série exponentielle : $\sum \frac{x^n}{n!}$ a pour rayon $R=+\infty$. Sa somme est $e^x$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que le rayon de convergence ne donne pas d'information sur la convergence aux bornes $x=R$ ou $x=-R$.
  • Confondre la convergence simple sur $]-R, R[$ et la convergence uniforme sur tout segment $[a, b] \subset ]-R, R[$.
  • Appliquer d'Alembert alors que la limite n'existe pas (utiliser alors la borne supérieure).

🌉 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 $\sum \frac{x^n}{n^2}$ est :

❓ Questions fréquentes

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

Oui. Si $\lim_{n \to +\infty} |a_n| = +\infty$ (par exemple $a_n = n!$), alors $R=0$. La série ne converge qu'en $x=0$.

💡 À retenir : Un rayon nul signifie que la série ne définit aucune fonction au voisinage de 0.

Comment savoir si une série entière converge aux bornes ?

Le rayon de convergence $R$ ne permet pas de conclure sur les bornes.

  1. Remplace $x$ par $R$ et $-R$ dans la série numérique $\sum a_n x^n$.
  2. Étudie la nature de la série numérique obtenue (série de Riemann, série alternée, etc.).
  3. Si la série numérique converge, alors la série entière converge en ce point.

💡 À retenir : Le rayon de convergence ne donne que l'intérieur de l'intervalle de convergence.

Kifach n7seb rayon de convergence ila kan 3ndi an fih factorielle ?
  1. Applique la règle de d'Alembert : calcule $L = \lim_{n \to +\infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right|$.
  2. Le rayon est $R = \frac{1}{L}$.
  3. Si $L=0$, alors $R=+\infty$. Si $L=+\infty$, alors $R=0$.

💡 À retenir : La règle de d'Alembert est la plus efficace quand il y a des factorielles ou des puissances $n$-ièmes.

Est-ce qu'on peut dériver une série entière terme à terme ?

Oui, absolument. Si une série entière $\sum a_n x^n$ a un rayon de convergence $R > 0$, alors sa somme $S(x)$ est dérivable sur l'intervalle ouvert $]-R, R[$ et : $S'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} n a_n x^{n-1}$. La série dérivée a le même rayon de convergence $R$.

💡 À retenir : La dérivation terme à terme conserve le rayon de convergence.

Chno hiya l'relation bin série entière o série de Taylor ?

Une fonction développable en série entière au voisinage de 0 est égale à sa série de Taylor : $f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n$.

💡 À retenir : Si $f$ est DSE, ses coefficients sont nécessairement ceux de Taylor.

Kifach n3ref wach wahed la fonction DSE f 0 ?
  1. Vérifie si elle est $C^\infty$ au voisinage de 0.
  2. Vérifie si le reste de Taylor $R_n(x)$ tend vers 0 quand $n \to +\infty$.
  3. Ou bien utilise les opérations sur les séries usuelles (somme, produit, composition).

💡 À retenir : La méthode des opérations est souvent plus rapide que la formule de Taylor.

Si R=1, est-ce que la série converge toujours sur [-1, 1] ?

Non, pas forcément. Par exemple, $\sum x^n$ diverge en $1$ et $-1$. $\sum \frac{x^n}{n^2}$ converge sur $[-1, 1]$. $\sum \frac{x^n}{n}$ converge en $-1$ mais diverge en $1$.

💡 À retenir : Il faut toujours tester les bornes au cas par cas.

Pourquoi on dit que la convergence est uniforme sur tout segment ?

Parce que sur le disque ouvert $]-R, R[$, la convergence n'est pas forcément uniforme. Mais sur tout segment $[a, b] \subset ]-R, R[$, on peut majorer le reste, ce qui garantit la convergence uniforme.

💡 À retenir : La convergence uniforme est locale (sur les segments), pas globale sur tout l'intervalle ouvert.

Comment calculer la somme d'une série entière ?
  1. Identifie la forme (souvent une dérivée ou une primitive d'une série usuelle).
  2. Utilise les propriétés : $S'(x) = \sum n a_n x^{n-1}$ ou $\int_0^x S(t) dt = \sum \frac{a_n}{n+1} x^{n+1}$.
  3. Résous l'équation différentielle obtenue si nécessaire.

💡 À retenir : Ramener la série à une série usuelle est la clé.

Est-ce que le produit de deux séries entières est une série entière ?

Oui, le produit de Cauchy de deux séries entières de rayons $R_1$ et $R_2$ est une série entière de rayon $R \geq \min(R_1, R_2)$.

💡 À retenir : Le produit de deux séries est une nouvelle série dont les coefficients sont des sommes de produits.

Est-ce que la somme d'une série entière est toujours continue ?

Oui, sur son intervalle de convergence ouvert $]-R, R[$, la somme est une fonction continue (et même $C^\infty$).

💡 À retenir : La continuité est garantie à l'intérieur du disque de convergence.

Chno lfar9 bin série de fonctions o série entière ?

Une série entière est un cas particulier de série de fonctions où les fonctions sont des monômes $a_n x^n$. Les séries entières ont des propriétés de régularité beaucoup plus fortes (analytiques).

💡 À retenir : Toute série entière est une série de fonctions, mais la réciproque est fausse.

✍️ 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

Soit $f(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{x^n}{n!}$. Montrer que $f$ est solution de l'équation différentielle $y' - y = 0$.

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Exercice 3

Développer en série entière au voisinage de 0 la fonction $f(x) = \frac{1}{1+x^2}$.

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