Art et Sciences Mathématiques[by : sliman mohamedbahjet ] Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations... Les mathématiques et l'art entretiennent une longue relation historique. Le nombre d'or étant connu des Égyptiens et des Grecs, utilisé dans la construction de monuments, dont les pyramides, le Parthénon et le Colisée.
mercredi 27 février 2013
samedi 16 février 2013
Dans tout ce chapitre :
I. Ensembles dénombrables
Définition :
Un ensemble
Il est dit au plus dénombrable ssi il est équipotent à une partie de
Exemples :
1) Soit
Les applications
Donc
2) Tout ensemble fini est au plus dénombrable car il est équipotent à une partie de
Remarque :
Si
Théorème :
Soit
Alors
Corollaire :
Soit
Alors
Proposition :
Soit
Soit
f est injective par unicité de la décomposition d'un entier en produit de facteurs premiers.
Théorème :
Toute réunion d'une suite d'ensembles dénombrables est un ensemble dénombrable.
Toute réunion d'une suite d'ensembles au plus dénombrables est un ensemble au plus dénombrable.
Théorème :
Soit
On a :
II. Familles sommables de réels positifs
Définition :
Soit
On dit que
Dans ce cas, la borne supérieure de cet ensemble est appelée la somme de la famille
Ainsi :
Exemples :
Exemple 1 : Soit
Soit
En effet, soit
Soit
On a
On a :
On conclut :
Soit maintenant
Posons :
Donc :
Montrons que :
Soit
Alors :
Posons donc :
C'est-à-dire :
Donc :
Exemple 2 :
Soit
On a :
Donc :
Donc
Remarques :
1) Soit
Si
D'où
En particulier :
Réciproquement, si la famille est nulle, elle est sommable de somme 0.
Conclusion :
2) Toute sous famille d'une famille de réels positifs sommable est elle-même sommable de somme plus petite.
Théorème :
Soit
Exemple 1 :
Pour tout
D'où :
Comme
Exemple 2 :
On a :
On en déduit que :
Proposition :
Soit
Théorème :
Soit
Soit
De plus, dans ce cas :
Soit
Or,
Donc :
En outre dans ce cas :
Soit :
Alors :
La fonction
Rappel :
On dit que
Proposition :
Soit
Alors
De plus, dans ce cas :
Proposition :
Soit
Alors
De plus, dans ce cas :
Corollaire :
Soit
On a alors :
III. Famille sommable d'éléments de K (cas général)
1. Sommabilité
Définition :
Soit
On dit que
1)
2)
On a :
Remarques :
Proposition :
Soit
On note
Proposition :
Soit
Alors
2. Somme d'une famille sommable
Théorème - Définition :
Soit
En général :
La réciproque est fausse en général .
Contre-exemple :
Soit
Or,
Donc
Proposition :
Soit
Proposition :
Soit
Proposition :
Soit
Théorème :
Soit
Alors :
De plus, dans ce cas :
Théorème :
Soit
De plus, dans ce cas :
Proposition :
Soit
Alors
De plus, dans ce cas :
Corollaire :
Soit
De plus, dans ce cas :
IV. Suites doubles sommables
Théorème :
Soit
Alors la suite double
Théorème : "d'interversion des sommations"
Soit
De plus, dans ce cas :
Théorème de "Fubini" :
Soit
La réciproque du théorème de Fubini est fausse en général.
Exemple :
Soient
On a :
On sait que :
Donc
Donc :
On a :
Contre-exemple :
Considérons la famille
Il est clair que pour
On a
Soit
Mais on a
V. Groupements de termes
Les séries envisagées dans ce paragraphe sont à termes dans un evn
Définitions générales :
Soient
On dit que la série
Les
Proposition :
Si
Théorème : "de groupement de termes" :
Avec les notations précédentes :
Si
Si la longueur des paquets n'est pas bornée, il se peut que
Exemple :
Et
Prérequis : Suites et séries de fonctions.
I. Définitions
.
Étant donné une suite
de nombres complexes, on lui associe la série de fonctions
où :
est dite la série entière associée à
dont elle est appelée la suite des coefficients.
est dite série entière de la variable réelle si
, et de la variable complexe si
.
Une série entière de coefficients
se note généralement :
ou
.
II. Convergence d'une série entière
1. Rayon de convergence
Lemme d'Abel :
Soit
une série entière et
tq
est bornée.
Alors, pour tout
on a :
entraîne
converge absolument.
Théorème - Définition :
Soit
une série entière. Alors il existe un unique nombre noté
avec
tq :
s'appelle le rayon de convergence de
.
Exemple :
:
Pour
;
converge absolument.
Pour
;
diverge.
Donc
Proposition :
Soit
une série entière de rayon de convergence
. Alors :
.
.
.
.
.
Notation et vocabulaire :
Soit
une série entière de rayon de convergence
. Alors
est appelé le disque de convergence de
.
En particulier, si
,
; on l'appelle l'intervalle de convergence.
Remarques :
1) Si
est la somme de la série entière
, alors :
.
2) Si
:
converge
converge.
Ou :
convergence absolument
converge absolument.
Alors :
Proposition :
Soit
et
deux séries entières de rayon de convergence
respectivement.
Si
, alors :
.
Proposition :
Soit
et
deux séries entières de rayon de convergence
respectivement.
S'il existe
tq :
, alors :
.
Proposition :
Soit
une fonction rationnelle n'ayant pas de pôles entiers. Alors le rayon de convergence de
est égal à 1.
Remarque :
L'utilisation de la règle de D'Alembert est pratique surtout pour les séries entières dites lacunaires :
C'est-à-dire les séries de la forme
tq
une extractrice et :
avec
Exemple :
avec
:
Pour
, on pose :
.
.
Si
(ie
) : donc
converge absolument.
Si
(ie
) : alors
diverge.
On déduit que
Proposition :
Soit
une série entière, soit
(resp.
resp.
) le rayon de convergence de
(resp.
et
). Alors
.
De plus :
.
Exemple :
avec :
:
, donc
.
, donc
.
On en déduit que
.
Proposition :
Soit
une série entière de rayon de convergence
, soit
une fonction rationnelle n'ayant pas de pôles dans
.
Alors le rayon de convergence de
est égal à
.
2. Convergence ponctuelle
Théorème :
Soit
une série entière de rayon de convergence
.
Alors
converge normalement sur tout compact inclus dans
Remarque :
Il se peut qu'une série entière de rayon de convergence positif ne converge pas normalement sur le disque
.
Corollaire :
La somme d'une série entière de rayon de convergence positif est continue sur le disque
.
III. Opérations sur les séries entières
Soit
,
deux séries entières de rayons de convergence
et
respectivement.
Soit
.
On pose :
,
et
.
On note
et
les rayons de convergence respectivement des séries entières :
,
et
.
i)
.
.
ii)
.
iii)
.
.
IV. Propriétés de la somme d'une série entière de la variable réelle
Ici,
est une série entière de la variable réelle dont le rayon de convergence
est supposé positif et dont la somme est noté
.
est définie sur au moins
, on rappelle que
est continue sur cet intervalle.
Théorème :
La série entière
est de rayon de convergence
De plus, on a :
.
Remarque :
Soit
.
.
Autrement dit :
.
On dit qu'une série entière s'intègre terme à terme entre deux points quelconques de son intervalle de convergence .
Théorème :
Pour tout
, la série entière
a pour rayon de convergence
.
est de classe
sur
et on a :
:
.
Exemple :
Soit
.
On a :
;
est donc définie et continue sur
.
et
existent, donc :
.
.
converge, donc
est somme uniforme sur
d'une série de fonctions continue sur
, alors
est continue sur
.
est de classe
sur
:
et
.
(car
).
Donc :
.
et puisque
,
.
Donc :
.
Remarque :
On avait obtenu :
.
Donc :
, on en déduit :
.
Essayons de démontrer ce résultat directement en étudiant la somme partielle de la série :
Soit
On conclut que la méthode des séries entières est plus performante que la méthode directe.
Rappel : La constante d'Euler
On pose :
Etudions la convergence de la suite
en introduisant la série téléscopique
tq :
Donc :
.
La suite étant réelle,
à partir d'un certain rang
(
est à terme positif à partir du rang
) .
Donc :
converge, alors :
converge.
On en déduit que :
converge.
Définition :
La limite de la suite
est appelée la constante d'Euler, on la note
.
Remarque :
On a :
, d'où :
V. Développement en série entière (DSE)
1. Généralités
est un intervalle de
tq
.
Définition :
Soit
et
tq :
.
On dit que
est développable en série entière (DSE) sur
ssi il existe une série entière
de rayon de convergence
tq :
:
.
De manière plus générale si
et si on dit que f est développable en série entière au voisinage de
s'il existe
tel que
et une série entière
de rayon de convergence
tels que
Définition :
Soit
, on dit que
DSE au voisinage de
ssi il existe
tq :
On note :
.
Exemples :
La fonction
est DSE sur
avec :
.
La fonction
est DSE sur
avec :
.
Soit
,
:
est définie sur
.
Sur cet intervalle,
est DSE.
En effet,
Or :
D'où :
, donc :
.
Soit
polynômiale de degré
:
Alors :
avec
et
.
En posant
.
converge pour tout
de somme
.
Toute fonction polynômiale est DSE sur
et elle est son propre développement.
Théorème :
Soit
DSE sur
avec
. Alors :
est de classe
sur
.
.
Exemple :
Soit
; on a :
D'où :
.
Si
C'est-à-dire :
.
Et cela reste vrai pour
; donc
.
On conclut que
est DSE sur
donc
sur
.
Corollaire :
Soit
et
tq :
.
Si
est DSE sur
avec
. Alors
est unique.
Exemple :
Soit
Méthode 1 :
Pour
et
.
D'où, pour
avec :
D'où :
, pour
Donc la méthode 1) nous fournit :
pour
.
Méthode 2 :
On a :
et pour
:
.
Or,
.
On obtient :
.
Donc la méthode 2) nous fournit :
.
Méthode 3 :
Décomposons
en fractions rationnelles :
On obtient par calcul :
.
La méthode nous fournit :
Par unicité du DSE sur
, on a :
Définiton :
Soit
de classe
.
La série entière
est appelée la série de Taylor de
.
2. Techniques de calcul de DSE au voisinage de 0
Il existe plusieurs méthodes de calcul d'un DSE d'une fonction, nous citerons ici les plus utilisées, mais cela ne veut pas dire qu'elles sont les seules, on peut très bien avoir affaire à d'autres méthodes.
Notations et vocabulaire :
Si
(avec
) est un DSE sur
alors le rayon de convergence de la série entière
est appelé le rayon de convergence du DSE de
.
Le plus grand intervalle ouvert
sur lequel ce développement est valable s'appelle le domaine de validité du DSE de
, on le note
.
Remarque :
en général. (Avec
est le domaine de validité d'un DSE de
).
Contre exemple :
on a :
et
.
Technique 1 : Utilisation des opérations sur les séries entières
Supposons :
,
et
,
En posant
, on a :
:
;
pour
.
;
pour
.
Donc toute combinaison linéaire (resp. produit) de deux fonctions DSE(0) est une fonction DSE(0).
Exemples :
:
On a :
De plus :
donc :
Alors :
Donc :
De même :
:
On a :
:
On a :
et
Alors :
.
On conclut :
De même :
Technique 2 : Méthode de la dérivation et intégration
Soit
dérivable tq
admet un DSE sur
donné par :
.
Alors :
.
D'où,
.
Exemples :
est dérivable et
.
Or
pour tout
tq :
.
D'où :
avec
.
C'est-à-dire :
.
est dérivable sur
et
.
On a :
avec
.
D'où :
Donc :
.
Technique 3 : Utilisation d'une équation differentielle linéaire
On considère l'équation différentielle linéaire d'ordre
:
où :
.
Etant donné
et
, on admet qu'il existe une unique solution
de
sur
tq :
Soit
de classe
.
Si on détermine toutes les solutions de
, DSE(0) et si l'une d'elle,
, vérifie :
Alors
, d'où
est DSE(0).
Dans la pratique, on se contentera du cas où les fonctions
sont rationnelles.
Exemple :
est dérivable et
.
est donc solution sur
de l'équation différentielle
.
Soit
, soit
de classe
et DSE sur
.
Posons :
avec
.
.
On a :
est solution de
sur
.
Par unicité du DSE sur
de la fonction nulle.
est solution de
sur
Remarque :
Formellement :
. On pouvait donc prendre
.
est solution de
sur
Or,
.
On a donc trouvé le DSE de
sur
et qui est :
Prérequis : Suites et séries de fonctions.
I. Définitions
Une série entière de coefficients
II. Convergence d'une série entière
1. Rayon de convergence
Lemme d'Abel :
Soit
une série entière et
tq
est bornée.
Alors, pour tout
on a :
entraîne
converge absolument.
Alors, pour tout
Théorème - Définition :
Soit
une série entière. Alors il existe un unique nombre noté
avec
tq :
s'appelle le rayon de convergence de
.
Exemple :
Pour
Pour
Donc
Proposition :
Soit
une série entière de rayon de convergence
. Alors :
.
.
.
.
.
Notation et vocabulaire :
Soit
En particulier, si
Remarques :
1) Si
2) Si
Ou :
Alors :
Proposition :
Soit
et
deux séries entières de rayon de convergence
respectivement.
Si
, alors :
.
Si
Proposition :
Soit
et
deux séries entières de rayon de convergence
respectivement.
S'il existe
tq :
, alors :
.
S'il existe
Proposition :
Soit
une fonction rationnelle n'ayant pas de pôles entiers. Alors le rayon de convergence de
est égal à 1.
Remarque :
L'utilisation de la règle de D'Alembert est pratique surtout pour les séries entières dites lacunaires :
C'est-à-dire les séries de la forme
Exemple :
Pour
On déduit que
Proposition :
Soit
une série entière, soit
(resp.
resp.
) le rayon de convergence de
(resp.
et
). Alors
.
De plus :
.
De plus :
Exemple :
On en déduit que
Proposition :
Soit
une série entière de rayon de convergence
, soit
une fonction rationnelle n'ayant pas de pôles dans
.
Alors le rayon de convergence de
est égal à
.
Alors le rayon de convergence de
2. Convergence ponctuelle
Théorème :
Soit
une série entière de rayon de convergence
.
Alors
converge normalement sur tout compact inclus dans 
Alors
Remarque :
Il se peut qu'une série entière de rayon de convergence positif ne converge pas normalement sur le disque
Corollaire :
La somme d'une série entière de rayon de convergence positif est continue sur le disque
.
III. Opérations sur les séries entières
i)
ii)
iii)
IV. Propriétés de la somme d'une série entière de la variable réelle
Ici,
Théorème :
La série entière
est de rayon de convergence 
De plus, on a :
Remarque :
Soit
Autrement dit :
On dit qu'une série entière s'intègre terme à terme entre deux points quelconques de son intervalle de convergence .
Théorème :
Exemple :
Soit
On a :
Donc :
et puisque
Donc :
Remarque :
On avait obtenu :
Donc :
Essayons de démontrer ce résultat directement en étudiant la somme partielle de la série :
Soit
On conclut que la méthode des séries entières est plus performante que la méthode directe.
Rappel : La constante d'Euler
On pose :
Etudions la convergence de la suite
Donc :
La suite étant réelle,
Donc :
On en déduit que :
Définition :
La limite de la suite
est appelée la constante d'Euler, on la note
.
Remarque :
On a :
V. Développement en série entière (DSE)
1. Généralités
Définition :
Soit
et
tq :
.
On dit que
est développable en série entière (DSE) sur
ssi il existe une série entière
de rayon de convergence
tq :
:
.
De manière plus générale si
et si on dit que f est développable en série entière au voisinage de
s'il existe
tel que
et une série entière
de rayon de convergence
tels que ![\left(\forall x \in]x_0-r,x_0+r[ \right) \quad f(x) = \displaystyle \sum_{n=0}^{+\infty}a_n(x-x_0)^n](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tK3XuEx9d-OSt2BiG_EJ5AdIMnW3FA_u4batmA-UMimopRqg0iQk33rfrRwfOp98-DmurBwZ_-j-43yt5xbbr1PeCsDEZeFpTl8cwgMWbrXj3Vbso6TR8p81DyBCQLW_Okrrx8-vDZuXbB8dLnFxvfI0MFJt10BQQTet2WrWwNu5qbqKIC7Mw095puWCZh38uAmQvV7gx3A_M92XmoSbmSg_p4rWilIZQNRN3HKelHPpVihBUMzNOb8Bhw32bvGX4yhVVRM13hX4bKrTKOUxCv=s0-d)
On dit que
De manière plus générale si
Définition :
Soit
, on dit que
DSE au voisinage de
ssi il existe
tq :
On note :
.
On note :
Exemples :
La fonction
La fonction
Sur cet intervalle,
En effet,
Or :
D'où :
Alors :
En posant
Toute fonction polynômiale est DSE sur
Théorème :
Soit
DSE sur
avec
. Alors :
est de classe
sur
.
.
Exemple :
Soit
D'où :
Si
C'est-à-dire :
Et cela reste vrai pour
On conclut que
Corollaire :
Soit
et
tq :
.
Si
est DSE sur
avec
. Alors
est unique.
Si
Exemple :
Soit
Pour
D'où, pour
D'où :
Donc la méthode 1) nous fournit :
On a :
Or,
On obtient :
Donc la méthode 2) nous fournit :
Décomposons
On obtient par calcul :
La méthode nous fournit :
Par unicité du DSE sur
Définiton :
Soit
de classe
.
La série entière
est appelée la série de Taylor de
.
La série entière
2. Techniques de calcul de DSE au voisinage de 0
Il existe plusieurs méthodes de calcul d'un DSE d'une fonction, nous citerons ici les plus utilisées, mais cela ne veut pas dire qu'elles sont les seules, on peut très bien avoir affaire à d'autres méthodes.Notations et vocabulaire :
Remarque :
Contre exemple :
Technique 1 : Utilisation des opérations sur les séries entières
Supposons :En posant
Donc toute combinaison linéaire (resp. produit) de deux fonctions DSE(0) est une fonction DSE(0).
Exemples :
On a :
De plus :
Alors :
Donc :
De même :
On a :
On a :
Alors :
On conclut :
De même :
Technique 2 : Méthode de la dérivation et intégration
SoitAlors :
D'où,
Exemples :
Or
D'où :
C'est-à-dire :
On a :
D'où :
Donc :
Technique 3 : Utilisation d'une équation differentielle linéaire
On considère l'équation différentielle linéaire d'ordreEtant donné
Soit
Si on détermine toutes les solutions de
Alors
Dans la pratique, on se contentera du cas où les fonctions
Exemple :
Soit
Posons :
On a :
Par unicité du DSE sur
Remarque :
Formellement :
Or,
On a donc trouvé le DSE de
Suites numériques
I. L'ensemble des suites réelles
1. Définition d'une suite
On appelle suite réelle toute application d'une partie de
à valeurs dans
et on note
ou
en général.
Vocabulaire : L'ensemble des suites réelles sera noté par
2. Opérations algébriques
a) Egalité
Soient
et
.
On dit que les suites sont égales et on note :
ssi : 
On dit que les suites sont égales et on note :
Exemple :
On a
b) Addition
Soient
et
.
La suite
définie par :
est appelée la suite somme de
et
et on note :
.
Exemple : La suite
On a donc :
c) Produit
Soient
et
, la suite
définie par :
est appelée la suite produit de
et
et on note : 
Exemple : On a :
d) Produit par un scalaire
Soit
et soit
, la suite
définie par :
sera noté : 
3. Suite minorée - majorée - bornée
Définition :
Soit
On dit que
On dit que
Puisque
Alors
Proposition :
Soit
4. Suite croissante - décroissante - monotone
Définition :
Soit
Soit
Soit
Donc
II. Notions de suites convergentes
1. Définition et propriétés de la convergence
Définitions :
Soit
On dit que
Si une suite ne converge pas, on dit alors qu'elle diverge.
Théorème :
Si la suite
Proposition :
Toute suite convergente est bornée.
La réciproque est fausse en général.
Exemple :
Soit
2. Opérations sur les limites
Théorème :
Soient
Soient
La suite
Si
Théorème :
Soient
Si
3. Convergence des suites monotones
Théorème fondamental :
Soit
Soit
Corollaire :
Toute suite croissante négative est convergente.
Toute suite décroissante positive est convergente.
Définition :
Soit
On dit que
Proposition :
Soit
Si
Si
Proposition :
Soient
Si
Si
III. Suites extraites - Suites adjacentes
1. Suites extraites
Définition :
Soient
Soit
Proposition :
Soit
Proposition :
Toute suite extraite d'une suite bornée est bornée.
Toute suite extraite d'une suite convergente est convergente et converge vers la même limite.
Alors si on trouve que deux suites extraites ne convergent pas vers la même limite, alors la suite "mère" n'est pas convergente (diverge).
Théorème de Bolzano - Weierstrass réel :
De toute suite réelle bornée on peut extraire une suite convergente.
2. Suites adjacentes
Définition :
Soient
Proposition :
Soient
Théorème :
Deux suites adjacentes sont convergentes et convergent vers la même limite.
IV. Suite de Segments Emboités
Définitions :
Un segment est tout intervalle fermé et borné de la forme
Soit
Soit
Proposition :
Soit
Théorème des segments emboités :
Soit
V. Suites récurrentes
1. Suite arithmético-géométrique
Définition :
Soit
Si
Proposition :
2. Suites récurrentes linéaires du 2e ordre
Définition :
Soit
est appelée suite recurrente linéaire du 2e ordre, et l'équation
Théorème :
Soit
- Si
: l'équation admet 2 racines réelles
et
tq :
avec
.
- Si
: l'équation admet une racine double réelle
tq :
avec
.
- Si
: l'équation admet deux racines conjuguées :
et
tq :
avec
.
3. Suite recurrente : cas général
Définition :
Soit
est appelé suite recurrente.
VI. Suites Complexes
Définition :
Une suite complexe est toute application d'une partie de
1. Soit
2. Tous les résultats dans
Proposition :
Soit
Proposition :
Soit
Théorème de Bolzano - Weierstrass complexe :
De toute suite complexe bornée on peut extraire une suite convergente.
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