diff --git a/Maths2A/Maths_2A_01_C.markdown b/Maths2A/Maths_2A_01_C_Algebre.markdown similarity index 98% rename from Maths2A/Maths_2A_01_C.markdown rename to Maths2A/Maths_2A_01_C_Algebre.markdown index 62ee655..0147160 100644 --- a/Maths2A/Maths_2A_01_C.markdown +++ b/Maths2A/Maths_2A_01_C_Algebre.markdown @@ -1,9 +1,9 @@ --- layout: default -title: "Cours : Algèbre 1 PSI" +title: "Maths A2 - Chapitre 1 - Compléments d'Algèbre Linéaire" date: 2024-07-01 12:19:36 +0200 categories: courses -id: Alg1 +id: Mat2_01_C --- # 1. Compléments diff --git a/Maths2A/Maths_2A_02_C_Series.markdown b/Maths2A/Maths_2A_02_C_Series.markdown new file mode 100644 index 0000000..2ce0279 --- /dev/null +++ b/Maths2A/Maths_2A_02_C_Series.markdown @@ -0,0 +1,213 @@ +--- +layout: default +title: "Maths A2 - Chapitre 2 - Séries Numériques" +date: 2024-07-01 12:19:36 +0200 +categories: courses +id: Mat2_02_C +--- + +# Introduction + +$1 + 1 + 1 + 1 + 1 + ... = \sum\limits_{n=0}^{+\infty} 1 = +\infty$ + +$1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{8} + ... = \sum\limits_{n=0}^{+\infty} \left(\dfrac{1}{2}\right)^n = \lim_{N \to +\infty} \sum\limits_{n=0}^{N} \left(\dfrac{1}{2}\right)^n = \lim_{N \to +\infty} \dfrac{1 - \left(\dfrac{1}{2}\right)^{N+1}}{1 - \dfrac{1}{2}} = 2$ + +$1 + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{3} + \dfrac{1}{4} + ... = \sum\limits_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{n}= ?$ + +$1 + \dfrac{1}{2^2} + \dfrac{1}{3^2} + \dfrac{1}{4^2} + ... = \sum\limits_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{n^2}= ?$ + +$1 - 1 + 1 - 1 + 1 - 1 ... = 0 \hspace{2mm} \text{ou} \hspace{2mm} 1 ?$ + +# Notion de convergence et de divergence + +**Définition :** + +Soit $(u_n)$ une suite de nombres réels ou complexes. + +On appelle *somme partielle de rang $N$* de la série $\sum_{n\geq 0} u_n$ la quantité : + + $$ S_N = u_0 + u_1 + u_2 + ... + u_N = \sum_{n=0}^N u_n $$ + + $u_n$ est appelé le *terme général* de la série $\sum_{n\geq 0} u_n$. + + **Définition :** + + Soit $(u_n)$ une suite de nombres réels ou complexes. + + On dit que $\sum_{n\geq 0} u_n$, la série de terme général $u_n$ est *convergente* si la suite $S_N$ des sommes partielles est convergente. + + $$\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = \lim_{N \to +\infty} \sum_{n=0}^{N} u_n$$ + + Dans le cas contraire, on dit que la série $\sum_{n\geq 0} u_n$ est *divergente*. + + **Exemple :** Série arithmétique + + $$ +S_N=\sum_{n=0}^N n=0+1+2+\ldots+N=\frac{N(N+1)}{2} \underset{N \rightarrow+\infty}{\longrightarrow}+\infty . +$$ +La série arithmétique $\sum n$ diverge et on peut écrire $\sum\limits_{n=0}^{+\infty} n=+\infty$. + +**Exemple :** Série géométrique + +$$ +S_N=\sum_{n=0}^N q^n=1+q+q^2+\ldots+q^N= \begin{cases}\frac{1-q^{N+1}}{1-q} & \text { si } q \neq 1 \\ N+1 & \text { sinon. }\end{cases} +$$ + + +**Exemple :** Série harmonique + +$$ +S_N=\sum_{n=1}^N \frac{1}{n}=1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\ldots+\frac{1}{N} . +$$ +La fonction $x\mapsto\frac{1}{x}$ étant décroissante sur $[1; +\infty[$, on peut effectuer la comparaison avec une intervalle (faire un graphique pour mieux le représenter !) +$$ +\text { pour tout } n \geq 1, \quad \frac{1}{n} \geq \int_n^{n+1} \frac{\mathrm{d} t}{t} \text {. } +$$ + +En effectuant la somme des $N$ premiers termes, on a : +$$ +S_N=\sum_{n=1}^N \frac{1}{n} \geq \sum_{n=1}^N \int_n^{n+1} \frac{\mathrm{d} t}{t}=\int_1^2 \frac{\mathrm{d} t}{t}+\int_2^3 \frac{\mathrm{d} t}{t}+\ldots+\int_n^{N+1} \frac{\mathrm{d} t}{t}=\int_1^{N+1} \frac{\mathrm{d} t}{t}=\ln (N+1) \underset{N \rightarrow+\infty}{\longrightarrow}+\infty . +$$ +La série harmonique $\sum\limits_{n \geq 1} \frac{1}{n}$ diverge. + +**Exemple :** Une série télescopique + +$$ +S_N=\sum_{n=2}^N \frac{1}{n(n-1)}=\frac{1}{2}+\frac{1}{6}+\frac{1}{12}+\frac{1}{20}+\ldots+\frac{1}{N(N-1)} +$$ +Mais le terme général $\frac{1}{n(n-1)}$ peut s'écrire aussi sous la forme $\frac{1}{n(n-1)}=\frac{1}{n-1}-\frac{1}{n}$ et ainsi : +$$ +S_N=\sum_{n=2}^N\left(\frac{1}{n-1}-\frac{1}{n}\right)=\underbrace{1-\frac{1}{2}}_{\text {pour } n=2}+\underbrace{\frac{1}{2}-\frac{1}{3}}_{\text {pour } n=3}+\underbrace{\frac{1}{3}-\frac{1}{4}}_{\text {pour } n=4}+\ldots+\underbrace{\frac{1}{N-1}-\frac{1}{N}}_{\text {pour } n=N}=1-\frac{1}{N} \underset{N \rightarrow+\infty}{\longrightarrow} 1 . +$$ +La série télescopique $\sum\limits_{n \geq 2} \frac{1}{n(n-1)}$ converge vers 1 . On peut même écrire $\sum\limits_{n=2}^{+\infty} \frac{1}{n(n-1)}=1$ + +# Propriétés, et critères de convergence + +**Condition nécessaire, mais pas suffisante de convergence :** + +Si la série $\sum u_n$ converge alors $u_n$ tend vers 0 . +Si $u_n$ ne tend pas vers 0 , on dit que la série de terme général $u_n$ *diverge grossièrement*. + +- La série arithmétique $\sum n$ diverge grossièrement. +- Par contre la série harmonique $\sum \frac{1}{n}$ diverge bien que son terme général, $\frac{1}{n}$ tende vers 0 . Cette condition est bien nécessaire, mais pas suffisante. + +## Séries à termes positifs + +**Définition :** + +Une série réelle $\sum u_n$ est dite *à termes positifs* lorsque $u_n\geq 0$ pour tout $n\in \mathbb{N}$. + +**Convergence par domination :** + +Soient $\sum u_n$ et $\sum v_n$ deux séries à termes positifs vérifiant $0\leq u_n \leq v_n$ pour tout $n\in \mathbb{N}$. +- si $\sum v_n$ converge alors $\sum u_n$ converge aussi. +- si $\sum u_n$ diverge alors $\sum v_n$ diverge aussi. + +**Exemple :** + +$\dfrac{1}{n^2} \leq \dfrac{1}{n(n-1)}$ pour tout $n \geq 2$, or $\sum\limits_{n \geq 2}\dfrac{1}{n(n-1)}$ converge (c'est notre exemple de série télescopique), donc la série $\sum\limits_{n\geq 2} \dfrac{1}{n^2}$ converge. + +On peut rajouter le terme en $n=1$, la série restera convergente : $\sum\limits_{n \geq 1}\dfrac{1}{n^2}$ converge. + +**Rappel sur l'équivalence de suites :** + +Deux suites $(u_n)$ et $(v_n)$ sont *équivalentes* et on note $u_n \sim v_n$ si $u_n-v_n$ est négligeable devant $v_n$. (c'est-à-dire si $u_n - v_n = \epsilon_n v_n$ avec $\epsilon_n \rightarrow 0$) + +Le plus souvent on utilise cette propriété : + +Si $v_n$ ne s'annule pas : $u_n \sim v_n \Longleftrightarrow \lim_{n \to +\infty} \dfrac{u_n}{v_n} = 1$ + +**Séries équivalentes :** + +Soient $\sum u_n$ et $\sum v_n$ deux séries à termes positifs. + +Si $u_n \sim v_n$ alors $\sum u_n$ et $\sum v_n$ sont de même nature. (i.e. DV ou CV) + +**Exemples :** + +- $\dfrac{1}{n^2+n} \sim \dfrac{1}{n^2}$ car $\dfrac{1}{n^2+n} \div \dfrac{1}{n^2} = \dfrac{n^2}{n^2+n} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 1$ et ce sont des termes positifs. +Comme $\sum\limits_{n \geq 1} \dfrac{1}{n^2}$ converge alors $\sum\limits_{n \geq 1} \dfrac{1}{n^2+n}$ converge aussi. +- $\dfrac{1}{n+\sqrt{n}} \sim \dfrac{1}{n}$ car $\dfrac{1}{n + \sqrt{n}} \div \dfrac{1}{n} = \dfrac{n}{n+\sqrt{n}} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 1$ et ce sont des termes positifs. +Comme $\sum\limits_{n \geq 1} \dfrac{1}{n}$ converge alors $\sum\limits_{n \geq 1} \dfrac{1}{n+\sqrt{n}}$ converge aussi. + +### Séries de référence + +**Série de Riemann :** (Rien à voir avec Riz-man) + +La série à termes positifs $\sum\limits_{n \geq 1} \dfrac{1}{n^{\alpha}}$ converge si et seulement si $\alpha > 1$. + +**Série géométrique :** + +$$ +S_N=\sum_{n=0}^N q^n=1+q+q^2+\ldots+q^N= \begin{cases}\frac{1-q^{N+1}}{1-q} & \text { si } q \neq 1 \\ N+1 & \text { sinon. }\end{cases} +$$ + +Dans le cas $q \neq 1$, la limite de $S_N$ ne dépend que la limite de $q^{N+1}$ pour $N \rightarrow+\infty$. On peut alors conclure : + +- Si $-11$ alors $\sum u_n$ diverge \textbf{grossièrement}. +- Si $L<1$ alors $\sum u_n$ converge. +- Si $L=1$, cas litigieux, alors on ne peut pas conclure avec cette règle. + +(Toutefois, si $L=1^+$, alors la série est divergente.) + +*Remarque* : C'est un critère très pratique lorsque le terme général s'exprime sous la forme de produit de facteurs dépendant de $n$, ou de puissances de $n$. + +**Critère de Cauchy :** *(hors programme ?)* + +Soit la série $\sum u_n$ à termes positifs. + +On suppose que $\lim\limits_{n \to +\infty} (u_n)^{1/n} = L$ ($L$ étant éventuellement $+\infty$). +- Si $L>1$, alors $\sum u_n$ diverge grossièrement +- Si $L<1$, alors $\sum u_n$ converge +- Si $L=1$, cas litigieux, on fait appel à la VAR car on ne peut pas conclure avec cette règle. + +*Remarque* : C'est un critère très pratique lorsque le terme général est à la puissance $n$. + +## Séries à termes de signe non constant + +### Convergence absolue + +**Définition :** +Une série $\sum u_n$ est dite \*absolument convergente* si et seulement si $\sum |u_n|$ est une série convergente. + + +**Propriété :** + Si la série $\sum u_n$ est absolument convergente alors la série est convergente et de plus on a : +$$\left| \sum_{n=0}^{+\infty} u_n \right| \leq \sum_{n=0}^{+\infty} |u_n|$$ + +### Séries alternées + +**Définition :** +Une série réelle $\sum u_n$ est dite \highl{alternée} si $u_{n+1}$ et $u_n$ sont de signe contraire. + + +**Théorème :** Critère de Leibniz + +Soit $\sum u_n$ une série à termes de signe non constant. +- Si $\sum u_n$ est une série alternée; +- Si $(|u_n|)$ est décroissante; +- Si $\lim\limits_{n \to +\infty} u_n = 0$ + +alors la série $\sum u_n$ est convergente. + +On a, de plus, une approximation de la somme partielle $\sum\limits_{n=0}^{N}u_n$ : + +$$\left| \sum\limits_{n=0}^{+\infty}u_n - \sum\limits_{n=0}^{N}u_n \right| \leq |u_{N+1}|$$ + +**Définition :** + +Toute série convergente sans être absolument convergente est dite *semi-convergente*.