On veut approcher {S=\sum_{n=1}^{\infty}u_n,\quad u_n=\frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt n}} Pour {N\geq1} , on pose {S_N=\sum\limits_{n=1}^Nu_n} et {R_N=\sum\limits_{n=N+1}^\infty u_n} .
1. (a) Justifier l’existence de {S} , le signe de {R_N} et un majorant de {|R_N|} .
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1. (b) Majorer l’erreur dans {S\approx S_N+u_{N+1}/2} . Combien faudrait-il de termes pour calculer {S} à {10^{-4}} près ?
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Pour {n\geq1} , on note {u'_n=1/\sqrt{2n-1}-1/\sqrt{2n}} .
2. (a) Prouver, pour {n\to\infty} (l’expression étant définie pour {n\geq2} ), {\frac1{\sqrt{n-1}}-\frac1{\sqrt n}\sim\frac1{2n\sqrt n}}
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2. (b) En déduire la convergence de {\sum u'_n} .
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2. (c) Montrer {S_{2N}=S'_N} et {R_{2N}=R'_N} , où {S'_N=\sum\limits_{n=1}^Nu'_n} et {R'_N=\sum\limits_{n=N+1}^\infty u'_n} .
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3. (a) Montrer {u'_n\sim v_n-v_{n-1}} , avec {v_n=-1/(2\sqrt{2n})} .
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3. (b) Pour {n\geq2} , on pose {w_n=u'_n-(v_n-v_{n-1})} . Justifier la convergence de {\sum w_n} et montrer {R'_N=\frac1{2\sqrt{2N}}+\sum_{n=N+1}^{\infty}w_n}
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4. (a) Montrer {w_n=f(n)} , où {f} est croissante et négative.
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4. (b) En déduire {F(n)-F(n-1)\leq w_n\leq F(n+1)-F(n)} , où {F(t)=\sqrt{2t-1}-\frac12\sqrt{2t}-\frac12\sqrt{2t-2}}
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4. (c) Former le développement limité de {\sqrt{1+x}} en {0} à l’ordre {3} .
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4. (d) Donner un équivalent de {F(t)} quand {t\to+\infty} .
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5. (a) Montrer {-F(N)\leq\sum\limits_{n=N+1}^{\infty}w_n\leq-F(N+1)} .
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5. (b) Montrer que {\Delta(t)=F(t)-F(t+1)} est décroissante et donner son équivalent à l’infini.
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Les questions précédentes donnent {S=S_{2N}+\frac1{2\sqrt{2N}}+\sum_{n=N+1}^{\infty}w_n} On dispose ainsi de l’encadrement {\begin{array}{l}S_{2N}+\dfrac1{2\sqrt{2N}}-F(N)\leq S\\[4pt]S\leq S_{2N}+\dfrac1{2\sqrt{2N}}-F(N+1)\end{array}} Son amplitude décroît et tend vers {0} comme {N^{-5/2}} .
6. Montrer qu’il suffit de choisir {N=14} pour connaître {S} à {10^{-4}} près. Quel encadrement obtient-on ?
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