Les séries numériques constituent l’un des piliers fondamentaux de l’analyse mathématique moderne. Imaginez que vous souhaitiez additionner une infinité de nombres les uns après les autres : \( 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \cdots \). Cette somme infinie a-t-elle un sens ? Converge-t-elle vers une valeur finie ou explose-t-elle vers l’infini ? Les séries numériques fournissent un cadre rigoureux pour répondre à ces questions essentielles, avec des applications en physique, en probabilités, en économie et dans de nombreux domaines scientifiques.
Dans ce cours approfondi, nous explorerons les définitions fondamentales des séries numériques, les conditions de convergence, les séries de référence (géométrique, harmonique, Riemann), et les critères permettant d’étudier leur nature. Que vous soyez étudiant en classe préparatoire, en licence de mathématiques, ou simplement curieux de comprendre ces objets fascinants, ce guide pédagogique vous accompagnera pas à pas.
Définition et Notations Fondamentales
Série numérique
Soit \( (u_n)_{n \in \mathbb{N}} \) une suite de nombres réels ou complexes. On appelle série de terme général \( u_n \), notée \( \sum u_n \) ou \( \sum_{n=0}^{+\infty} u_n \), la suite \( (S_n)_{n \in \mathbb{N}} \) définie par :
S_n = \sum_{k=0}^{n} u_k = u_0 + u_1 + u_2 + \cdots + u_n
\]
Le terme \( S_n \) est appelé somme partielle d’ordre n (ou de rang n) de la série.
La notation \( \sum u_n \) désigne donc à la fois la série elle-même (la suite des sommes partielles) et, lorsque cela a un sens, la limite de cette suite.
Convergence et divergence d’une série
On dit que la série \( \sum u_n \) converge si la suite des sommes partielles \( (S_n) \) admet une limite finie \( S \) quand \( n \) tend vers l’infini. On note alors :
\sum_{n=0}^{+\infty} u_n = \lim_{n \to +\infty} S_n = S
\]
Le nombre \( S \) est appelé la somme de la série.
Si la suite \( (S_n) \) ne converge pas, on dit que la série diverge.
Reste d’une série convergente
Lorsque la série \( \sum u_n \) converge vers \( S \), on appelle reste d’ordre n la quantité :
R_n = S – S_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} u_k
\]
Le reste représente ce qu’il « manque » à la somme partielle \( S_n \) pour atteindre la somme totale \( S \). Naturellement, \( R_n \to 0 \) lorsque \( n \to +\infty \).
Condition Nécessaire de Convergence
Condition nécessaire
Si la série \( \sum u_n \) converge, alors nécessairement :
\lim_{n \to +\infty} u_n = 0
\]
Démonstration intuitive
Pour comprendre ce résultat, imaginons que la suite des sommes partielles \( (S_n) \) converge vers \( S \). Alors \( S_n \) et \( S_{n-1} \) sont tous deux proches de \( S \) pour \( n \) grand. Or, on a :
u_n = S_n – S_{n-1}
\]
Donc \( u_n \) est la différence de deux nombres qui tendent vers la même limite \( S \), ce qui implique \( u_n \to 0 \).
Attention : La condition \( u_n \to 0 \) est nécessaire mais non suffisante pour la convergence d’une série. Le contre-exemple le plus célèbre est la série harmonique \( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n} \), dont le terme général tend vers 0 mais qui diverge vers \( +\infty \).
Série grossièrement divergente
Si le terme général \( u_n \) ne tend pas vers 0, on dit que la série \( \sum u_n \) est grossièrement divergente. Dans ce cas, la série diverge de façon évidente.
Exemple : La série \( \sum (-1)^n \) est grossièrement divergente car \( u_n = (-1)^n \) oscille entre \( -1 \) et \( 1 \) sans jamais tendre vers 0.
Séries de Référence
Pour étudier la convergence des séries numériques, on s’appuie sur des séries de référence dont on connaît parfaitement le comportement.
Série géométrique
Série géométrique
Soit \( a \in \mathbb{C} \). La série géométrique de terme général \( a^n \) converge si et seulement si \( |a| < 1 \).
Dans ce cas, on a :
\sum_{n=0}^{+\infty} a^n = \frac{1}{1-a}
\]
Si \( |a| \geq 1 \), la série diverge (elle est même grossièrement divergente si \( |a| > 1 \) ou \( a = 1 \)).
Justification
Pour \( a \neq 1 \), la somme partielle d’ordre \( n \) vaut :
S_n = \sum_{k=0}^{n} a^k = \frac{1 – a^{n+1}}{1-a}
\]
Si \( |a| < 1 \), alors \( a^{n+1} \to 0 \) et donc \( S_n \to \frac{1}{1-a} \). Si \( |a| \geq 1 \), la suite \( (a^n) \) ne tend pas vers 0, donc la série diverge.
Exemple numérique : La série \( \sum_{n=0}^{+\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \cdots \) converge vers \( \frac{1}{1 – \frac{1}{2}} = 2 \).
Série harmonique
Série harmonique
La série harmonique est définie par :
\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \frac{1}{4} + \frac{1}{5} + \cdots
\]
Cette série diverge vers \( +\infty \), bien que son terme général \( \frac{1}{n} \) tende vers 0.
Démonstration classique (méthode d’Oresme, XIVe siècle)
On groupe les termes de la façon suivante :
\begin{align*}
H_n &= 1 + \frac{1}{2} + \left(\frac{1}{3} + \frac{1}{4}\right) + \left(\frac{1}{5} + \frac{1}{6} + \frac{1}{7} + \frac{1}{8}\right) + \cdots \\
&\geq 1 + \frac{1}{2} + \left(\frac{1}{4} + \frac{1}{4}\right) + \left(\frac{1}{8} + \frac{1}{8} + \frac{1}{8} + \frac{1}{8}\right) + \cdots \\
&= 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} + \frac{1}{2} + \cdots
\end{align*}
\]
Chaque groupement apporte au moins \( \frac{1}{2} \), donc la somme partielle \( H_n \) tend vers \( +\infty \).
Série de Riemann
Série de Riemann
Soit \( \alpha \in \mathbb{R} \). La série de Riemann de paramètre \( \alpha \) est définie par :
\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^\alpha}
\]
Critère de convergence : Cette série converge si et seulement si \( \alpha > 1 \).
Cas particuliers
- \( \alpha = 1 \) : c’est la série harmonique, qui diverge.
- \( \alpha = 2 \) : la série \( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{1}{n^2} \) converge vers \( \frac{\pi^2}{6} \) (résultat célèbre d’Euler).
- \( \alpha \leq 0 \) : la série est grossièrement divergente car \( \frac{1}{n^\alpha} \) ne tend pas vers 0.
- \( 0 < \alpha \leq 1 \) : la série diverge (voir comparaison série-intégrale).
- \( \alpha > 1 \) : la série converge.
Les séries de Riemann constituent des séries de référence essentielles pour comparer d’autres séries et déterminer leur nature par les théorèmes de comparaison.
Critères de Convergence des Séries
L’étude de la convergence des séries numériques repose sur un ensemble de critères et de théorèmes puissants. Nous présentons ici les plus importants.
Séries à termes positifs
Les séries à termes positifs (ou plus généralement à termes de signe constant) jouent un rôle central car elles se comportent de façon particulièrement régulière.
Théorème fondamental pour les séries à termes positifs
Soit \( \sum u_n \) une série à termes positifs (i.e. \( u_n \geq 0 \) pour tout \( n \)).
La série converge si et seulement si la suite des sommes partielles \( (S_n) \) est majorée.
Dans le cas contraire, la série diverge vers \( +\infty \).
Explication : Puisque tous les termes sont positifs, la suite \( (S_n) \) est croissante. Une suite croissante converge si et seulement si elle est majorée ; sinon, elle diverge vers \( +\infty \).
Critère de comparaison
Comparaison de deux séries à termes positifs
Soient \( \sum u_n \) et \( \sum v_n \) deux séries à termes positifs telles que, à partir d’un certain rang, \( 0 \leq u_n \leq v_n \).
- Si \( \sum v_n \) converge, alors \( \sum u_n \) converge également.
- Si \( \sum u_n \) diverge, alors \( \sum v_n \) diverge également.
Intuition : Si on ajoute des termes plus petits qu’une série convergente, on obtient encore une série convergente. Inversement, si on ajoute des termes plus grands qu’une série divergente, on obtient une série divergente.
Critère d’équivalence
Comparaison par équivalents
Soient \( \sum u_n \) et \( \sum v_n \) deux séries à termes strictement positifs telles que :
u_n \sim v_n \quad \text{quand } n \to +\infty
\]
Alors les deux séries sont de même nature (toutes deux convergentes ou toutes deux divergentes).
Application pratique : Ce critère est extrêmement utile car il permet de comparer une série compliquée à une série de référence simple (géométrique ou Riemann) en cherchant un équivalent du terme général.
Exemple : Étudions la série \( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{2n^2 + 5n + 1}{3n^4 – n + 7} \).
Pour \( n \) grand, on a :
u_n = \frac{2n^2 + 5n + 1}{3n^4 – n + 7} \sim \frac{2n^2}{3n^4} = \frac{2}{3n^2}
\]
Or la série \( \sum \frac{1}{n^2} \) est une série de Riemann avec \( \alpha = 2 > 1 \), donc elle converge. Par le critère d’équivalence, la série \( \sum u_n \) converge également.
Règle de d’Alembert
Critère de d’Alembert
Soit \( \sum u_n \) une série à termes strictement positifs telle que le quotient \( \frac{u_{n+1}}{u_n} \) admette une limite \( \ell \) quand \( n \to +\infty \).
- Si \( \ell < 1 \), la série converge.
- Si \( \ell > 1 \), la série diverge (grossièrement).
- Si \( \ell = 1 \), on ne peut pas conclure.
Intuition : Ce critère compare implicitement la série à une série géométrique. Si le rapport entre deux termes consécutifs reste strictement inférieur à 1, les termes décroissent assez rapidement pour que la série converge.
Exemple : Étudions la série \( \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{2^n}{n!} \).
On calcule :
\frac{u_{n+1}}{u_n} = \frac{2^{n+1}}{(n+1)!} \times \frac{n!}{2^n} = \frac{2}{n+1} \to 0 \quad \text{quand } n \to +\infty
\]
Puisque \( \ell = 0 < 1 \), la série converge.
Règle de Cauchy
Critère de Cauchy
Soit \( \sum u_n \) une série à termes positifs telle que \( \sqrt[n]{u_n} \) admette une limite \( \ell \) quand \( n \to +\infty \).
- Si \( \ell < 1 \), la série converge.
- Si \( \ell > 1 \), la série diverge.
- Si \( \ell = 1 \), on ne peut pas conclure.
Comparaison série-intégrale
Méthode de comparaison série-intégrale
Soit \( f : [1, +\infty[ \to \mathbb{R}_+ \) une fonction continue, positive et décroissante.
Alors la série \( \sum_{n=1}^{+\infty} f(n) \) et l’intégrale \( \int_1^{+\infty} f(t) \, dt \) sont de même nature.
Application : C’est cette méthode qui permet de démontrer le critère de convergence des séries de Riemann. Pour \( \alpha > 0 \), on compare \( \sum \frac{1}{n^\alpha} \) à l’intégrale \( \int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^\alpha} \), qui converge si et seulement si \( \alpha > 1 \).
Convergence Absolue
Convergence absolue
On dit que la série \( \sum u_n \) (à termes réels ou complexes) est absolument convergente si la série des valeurs absolues \( \sum |u_n| \) converge.
Convergence absolue implique convergence
Toute série absolument convergente est convergente.
Remarque importante : La réciproque est fausse. Il existe des séries convergentes mais non absolument convergentes, appelées séries semi-convergentes.
Avantage pratique : Pour étudier la convergence d’une série à termes quelconques, on peut d’abord étudier la convergence absolue, ce qui ramène à une série à termes positifs pour laquelle on dispose de nombreux critères.
Séries Alternées
Série alternée
Une série \( \sum u_n \) est dite alternée si ses termes sont alternativement positifs et négatifs. Autrement dit, \( u_n \) s’écrit sous la forme :
u_n = (-1)^n v_n \quad \text{ou} \quad u_n = (-1)^{n+1} v_n
\]
où \( v_n \geq 0 \) pour tout \( n \).
Critère des séries alternées (Critère de Leibniz)
Soit \( \sum (-1)^n v_n \) une série alternée où \( (v_n) \) est une suite de réels positifs.
Si les deux conditions suivantes sont satisfaites :
- La suite \( (v_n) \) est décroissante,
- La suite \( (v_n) \) converge vers 0,
alors la série \( \sum (-1)^n v_n \) converge.
De plus, si \( S \) désigne la somme de la série et \( S_n \) la somme partielle d’ordre \( n \), alors :
|S – S_n| \leq v_{n+1}
\]
Cette inégalité fournit une majoration du reste très utile pour les approximations numériques.
Exemple classique : La série harmonique alternée
\sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{n} = 1 – \frac{1}{2} + \frac{1}{3} – \frac{1}{4} + \frac{1}{5} – \cdots
\]
converge (vers \( \ln 2 \)) d’après le critère de Leibniz, car \( v_n = \frac{1}{n} \) est décroissante et tend vers 0. Pourtant, cette série n’est pas absolument convergente puisque \( \sum \frac{1}{n} \) diverge.
Conclusion
Les séries numériques constituent un outil fondamental en analyse mathématique et trouvent des applications dans de nombreux domaines scientifiques. Nous avons exploré les définitions fondamentales, les séries de référence (géométrique, harmonique, série de Riemann), et les principaux critères de convergence. La maîtrise des critères d’équivalence, de comparaison, des règles de d’Alembert et de Cauchy, ainsi que du critère des séries alternées, vous permet désormais d’étudier la nature de la grande majorité des séries rencontrées en pratique.
Retenez les points essentiels : la condition nécessaire \( u_n \to 0 \), le théorème fondamental pour les séries à termes positifs, l’importance des séries de référence pour les comparaisons, et la distinction entre convergence simple et convergence absolue. Avec de la pratique et des exercices variés, vous développerez une intuition solide pour identifier rapidement le bon critère à appliquer.