Correction du TD1
MNO, L3, Dauphine, 2020-2021 D. Gontier, gontier@ceremade.dauphine.fr
Vitesse de convergence de séries et de suites classiques
Exercice 1.
Pour chacune des suites suivantes, déterminer la limite, et estimer la vitesse de convergence :
(a) x n =
n
X
k=1
1
k(k + 1) , (b) x n =
n
X
k=0
e −n , (c) x n = sin 1
n
+ cos 1
n
− ln n + 1
n
, (d) x n =
1 2
n1 3
n1 4
n
(a) On a k(k+1) 1 = 1 k − k+1 1 , donc x n est une série télescopique, et on trouve x n = 1 − n+1 1 . La suite x n converge vers 1, et |1 − x n | = n+1 1 . C’est une convergence très lente (beaucoup plus lente qu’une convergence linéaire) ! (b) On reconnait une série géométrique, donc x n = 1−e 1−e
−n−1−1. La suite x n converge vers x ∗ := 1/(1 − e −1 ), et x ∗ − x n est le reste de la série géométrique : |x ∗ − x n | = e −n 1−e 1
−n. C’est une convergence linéaire à taux e −1 . (c) On fait le développement limité à l’ordre 3 de la fonction f (x) = cos(x) + sin(x) − log(1 + x). On trouve
f(x) = 1 − x 2
2 + x − x 3
6 − x + x 2 2 − x 3
3 + o(x 3 ) = 1 − x 3
2 + o(x 3 ).
On en déduit que x n converge vers x ∗ = 1, et que |x ∗ − x n | ≈ n −3 . C’est une convergence lente.
(d) x n converge vers (0, 0, 0), et kx n k 2 ≈ 2 −n (1 + o(1)). C’est donc une convergene linéaire à l’ordre 1 2 . Exercice 2.
Soit f : R → R + une fonction positive intégrable et décroissante.
a/ Montrer que, pour tout n ∈ N ∗ , Z ∞
n
f (x)dx ≤
∞
X
k=n
f (k) ≤ Z ∞
n−1
f (x)dx.
b/ En déduire que la suite x n := P n
k=1 f (k) converge.
c/ Estimez la vitesse de convergence des suites suivantes : (c1) x n =
n
X
k=1
1
k s avec s > 1, (c2) x n =
n
X
k=1
ke −k
2.
a/ Évident avec un dessin. Pour une preuve, on remarque que, comme f est décroissante,
∀x ∈ [k − 1, k], f (k) ≤ f (x) ≤ f (k − 1), donc Z k
k−1
f (k)dx ≤ Z k
k−1
f (x)dx ≤ Z k
k−1
f(k − 1)dx.
En sommant de k = n + 1 à ∞, on obtient
∞
X
k=n+1
f (k) ≤ Z ∞
n
f (x)dx ≤
∞
X
k=n
f(k).
b/ La suite x n est croissante, et majorée par R ∞
0 f (x)dx, donc converge vers une limite x ∗ := P ∞ 1 f (k).
c/ Pour (c1), on utilise le résultat a/ avec la fonction f (x) = x −s . On obtient
|x ∗ − x n | =
∞
X
k=n+1
f (k) ≤ Z ∞
k
1 x s dx =
x −s+1
−s + 1 ∞
n+1
≈ 1 1 − s n 1−s .
C’est une convergence lente (sous-linéaire).
Pour (c2), on prend f (x) = xe −x
2, et on obtient de même
|x ∗ − x n | =
∞
X
k=n+1
f (k) ≤ Z ∞
k
xe −x
2dx = 1 2 h
e −x
2i ∞ n+1 ≈ 1
2 e −(n+1)
2.
C’est une convergence superlinéaire, (mais sous quadratique).
Exercice 3.
Dans cet exercice on s’intéresse à la suite u n := sin
π(1 + √ 2) n
. a/ Montrer que, pour tout n ∈ N , on a (1 + √
2) n + (1 − √
2) n ∈ 2 N . b/ En déduire que u n = sin
−π(1 − √ 2) n
.
c/ Quelle est la limite de la suite (u n ), et quelle est la vitesse de convergence ?
a/ Avec la formule du binôme, on a
(1 + √
2) n + (1 − √ 2) n =
n
X
k=0
N k
√
2 k + (− √ 2) k
.
Dans chaque parenthèse, on obtient 0 lorsque k est impair, et 2 · 2 k/2 ∈ 2 N si k est pair.
b/ On a donc π(1 + √
2) n = −π(1 − √
2) n [2π], puis sin(π(1 + √
2) n ) = sin(−π(1 − √ 2) n ).
c/ Puisque 0 < √
2 − 1 < 1, on a ( √
2 − 1) n → 0. De plus, comme sin(x) ∼ x, on obtient |u n | ∼ π( √
2 − 1) n . La suite u n converge vers 0 linéairement à taux √
2 − 1 ≈ 0.41.
Vitesse de convergence de suites définies par récurrence
Exercice 4.
Soit (x n ) la suite définie par x 0 = α avec 0 < α < 1, et x n+1 = 2x n − x 2 n . On pose Φ(x) = 2x − x 2 . a/ Montrer que Φ(x) est strictement croissante sur (0, 1). En déduire que 0 < x n < 1 pour tout n.
b/ Montrer que Φ(x) > x sur (0, 1). En déduire que (x n ) est une suite croissante.
c/ Monter que la suite (x n ) est convergente. Quelle est sa limite ? d/ On pose ε n := 1 − x n . Montrer que ε n+1 = ε 2 n .
e/ En déduire une formule pour (x n ), puis calculer la vitesse de convergence.
a/ On a Φ 0 (x) = 2 − 2x qui est strictement positif sur (0, 1), donc Φ est strictement croissante sur (0, 1). De plus, comme Φ(0) = 0 et Φ(1) = 1, on a 0 < x n < 1 = ⇒ Φ(0) < Φ(x n ) < Φ(1), c’est à dire 0 < x n+1 < 1. Le résultat s’en déduit par récurrence.
b/ On a Φ(x) − x = x − x 2 = x(1 − x), qui est positif pour tout 0 < x < 1. Donc Φ(x) > x sur (0, 1), et x n+1 = Φ(x n ) > x n .
c/ La suite (x n ) est croissante bornée par 1, donc converge vers une limite x ∗ . Comme on a x n+1 = Φ(x n ) avec Φ continue, on obtient à la limite x ∗ = Φ(x ∗ ), donc x ∗ est un point fixe de Φ. Enfin Φ(x) = x n’a que deux solutions 0 et 1. Or x 0 > 0, donc la limite est x ∗ = 1.
d/ La relation x n+1 = 2x n − x 2 n s’écrit aussi
(1 − ε n+1 ) = 2(1 − ε n ) − (1 − ε n ) 2 , ou encore ε n+1 = ε 2 n .
e/ On en déduit que ε 0 = (1− α) ∈ (0, 1), puis ε n = ε 2 0
n. Donc ε n converge vers 0 à l’ordre 2 (quadratiquement), et x n converge vers 1 avec la même vitesse.
Exercice 5.
Soit x 0 = 1 et (x n ) définie par x n+1 = x 2
n+ x 1
n