Comment montrer la convergence d’une série ?

William Mievre - Mis à jour le 08/06/2022
convergence d'une série

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Méthode 1 : Montrer la convergence d’une série et calculer sa somme

Montrons la convergence et calculons la somme de la série \displaystyle{\sum_{n \ge 1} \mathrm{arctan} \left( \frac{1}{n^2+ n +1} \right)}.
  • En utilisant \mathrm{arctan} \left( x\right)\underset{x \to 0}{\sim} x, on en déduit que

        \[\mathrm{arctan} \left( \frac{1}{n^2+ n +1} \right) \underset{n \to + \infty}{\sim} \frac{1}{n^2+n+1}  \underset{n \to + \infty}{\sim} \frac{1}{n^2}.\]

    Par équivalence avec une série de Riemann convergente, on en déduit que la série \displaystyle{\sum_{n \ge 1} \mathrm{arctan} \left( \frac{1}{n^2+ n +1} \right)} converge.
  • On remarque que pour tout n \in \mathbb{N}^*, \mathrm{arctan} \left( \dfrac{1}{n^2+ n +1} \right) = \mathrm{arctan} \left( n +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( n \right). En effet, \tan \left( \mathrm{arctan} \left( \dfrac{1}{n^2+ n +1} \right)  \right) = \dfrac{1}{n^2+n+1} et \tan \left( \mathrm{arctan} \left( n +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( n \right) \right) = \dfrac{1}{n^2+n +1}. Comme \mathrm{arctan} \left( \dfrac{1}{n^2+ n +1} \right) et \mathrm{arctan} \left( n +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( n \right) sont des \’el\’ements de \left]- \dfrac{\pi}{2} , \dfrac{\pi}{2} \right[, on en déduit que

        \[\forall n \in \mathbb{N}^*, \quad \mathrm{arctan} \left( \dfrac{1}{n^2+ n +1} \right) = \mathrm{arctan} \left( n +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( n \right).\]

    Soit N \in \mathbb{N}^*. Par télescopage, on a \displaystyle{\sum_{n = 1}^N \mathrm{arctan} \left( \frac{1}{n^2+ n +1} \right) = \mathrm{arctan} \left( N +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( 1 \right)}. Comme \lim\limits_{N \to + \infty} \left( \mathrm{arctan} \left( N +1 \right) - \mathrm{arctan} \left( 1 \right) \right) = \dfrac{\pi}{4}, on en déduit que \displaystyle{\sum_{n = 1}^{+ \infty} \mathrm{arctan} \left( \frac{1}{n^2+ n +1} \right) = \frac{\pi}{4}}.
  • livre maths mpsi vuibert

    Cet article est extrait de l’ouvrage Maths MPSI-MP2I. Tout-en-un : cours, méthodes, entraînement et corrigés (éditions Vuibert, juin 2021) écrit par E. Thomas, S. Bellec, G. Boutard. ISBN n°9782311408720

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    William Mievre
    Co-fondateur des Sherpas
    Passé par une Prépa HEC puis l'ESCP, j'ai donné des centaines d'heures de cours particuliers avant de créer Les Sherpas avec Étienne. Passionné d'éducation, je te partage désormais mes meilleurs conseils afin de t'aider à réussir et t'épanouir dans tes études. Cheers ✌️💖 !

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