Eclats de vers : Matemat : Sommes réelles

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Table des matières

\( \newenvironment{Eqts} { \begin{equation*} \begin{gathered} } { \end{gathered} \end{equation*} } \newenvironment{Matrix} {\left[ \begin{array}} {\end{array} \right]} \)

\label{chap:sommesReelles}

1. Introduction

Nous nous intéressons à des suites de réels \(A \subseteq \setR\) de la forme :

\[A = \{ a_k \in \setR : k \in \mathcal{Z} \}\]

1.1. Dénombrable

Supposons que \(\mathcal{Z} \subseteq \setZ\). Si les sommes partielles convergent, on définit :

\[\sum_{k \in \setN} a_k = \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k = \lim_{n \to \infty} \sum_{k = 0}^n a_k\]

dans le cas où \(\mathcal{Z} = \setN\) et :

\[\sum_{k \in \setZ} a_k = \sum_{k = -\infty}^{+\infty} a_k = \lim_{n \to \infty} \sum_{k = -n}^n a_k\]

dans le cas où \(\mathcal{Z} = \setZ\). On définit aussi :

\[\sum_{k = m}^{+\infty} a_k = \lim_{n \to \infty} \sum_{k = m}^n a_k\]

1.2. Quelconque

Pour un ensemble \(\mathcal{Z}\) quelconque, on pose :

\[Z^+ = \{ k \in \mathcal{Z} : a_k \ge 0 \}\]

et :

\[Z^- = \{ k \in \mathcal{Z} : a_k \strictinferieur 0 \}\]

Sous réserve d'existence du suprémum, on définit :

\[\sum_{k \in Z^+} a_k = \sup \accolades{ \sum_{k \in I} a_k : I \subseteq Z^+, \ I \ \mathrm{fini} }\]

ainsi que :

\[\sum_{k \in Z^-} a_k = - \sup \accolades{ - \sum_{k \in I} a_k : I \subseteq Z^-, \ I \ \mathrm{fini} }\]

On définit alors la somme par :

\[\sum_{k \in \mathcal{Z}} a_k = \sum_{k \in Z^+} a_k + \sum_{k \in Z^-} a_k\]

2. Additivité

Soit la suite :

\[A = \{ a_k \in \setR : k \in \setN \}\]

On définit la suite \(\{ S_n : n \in \setN \}\) des sommes partielles par :

\[S_n = \sum_{k = 0}^n a_k\]

pour tout \(n \in \setN\). Choisissons un \(m \in \setN\) vérifiant \(m \ge 1\). On définit la suite \(\{ D_n : n \in \setN \}\) des sommes partielles commençant en \(m\) par :

\[D_n = \sum_{k = m}^n a_k\]

pour tout \(n \in \setN\) vérifiant \(n \ge m\). Choisissons un naturel \(n\) vérifiant \(n \ge m\). On a :

\[S_n = \sum_{k = 0}^{m - 1} a_k + \sum_{k = m}^n a_k = S_{m - 1} + D_n\]

Si on pose :

\[E = S_{m - 1}\]

on a :

\[S_n = E + D_n\]

pour tout \(n \in \setN\) vérifiant \(n \ge m\). Si la limite de la suite des \(D_n\) existe, celle des \(S_n\) aussi et :

\[\lim_{n \to \infty} S_n = E + \lim_{n \to \infty} D_n\]

Inversément, si la limite des \(S_n\) existe, celle des \(D_n\) aussi et :

\[\lim_{n \to \infty} D_n = \lim_{n \to \infty} S_n - E\]

On a par définition :

\[\lim_{n \to \infty} S_n = \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k\]

et :

\[\lim_{n \to \infty} D_n = \sum_{k = m}^{+\infty} a_k\]

On en conclut que :

\[\sum_{k = 0}^{+\infty} a_k = \sum_{k = 0}^{m - 1} a_k + \sum_{k = m}^{+\infty} a_k\]

3. Somme résiduelle

Si la somme des \(a_k\) converge, l'additivité nous dit que :

\[\sum_{k = m}^{+\infty} a_k = \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k - \sum_{k = 0}^{m - 1} a_k\]

En passant à la limite \(m \to \infty\), on a :

\begin{align} \lim_{m \to \infty} \sum_{k = m}^{+\infty} a_k &= \lim_{m \to \infty} \left[ \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k - \sum_{k = 0}^{m - 1} a_k \right] \\ &= \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k - \lim_{m \to \infty} \sum_{k = 0}^{m - 1} a_k \\ &= \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k - \sum_{k = 0}^{+\infty} a_k \\ &= 0 \end{align}

La suite des sommes résiduelles \(R_m\) définie par :

\[R_m = \sum_{k = m}^{+\infty} a_k\]

pour tout \(m \in \setN\) converge donc vers zéro lorsque \(m\) tend vers l'infini.

4. Termes positifs

Soit la suite positive :

\[P = \{ p_k \in \setR : p_k \ge 0, \ k \in \setN \}\]

et la suite des sommes partielles :

\[S_n = \sum_{k = 0}^n p_k\]

Choisissons \(m,n \in \setN\) tels que \(m \le n\). On a :

\[S_n = \sum_{k = 0}^m p_k + \sum_{k = m + 1}^n p_k = S_m + \sum_{k = m + 1}^n p_k\]

Par positivité, des \(p_k\), on a :

\[\sum_{k = m + 1}^n p_k \ge 0\]

et :

\[S_n \ge S_m\]

La suite des \(S_n\) est croissante. Si on peut trouver un \(M \in \setR\) tel que :

\[S_n \le M\]

pour tout \(n \in \setN\), la suite est majorée et converge vers son suprémum :

\[\sum_{k = 0}^{+\infty} p_k = \lim_{n \to \infty} \sum_{k = 0}^n p_k = \sup_{n \in \setN} \sum_{k = 0}^n p_k\]

5. Convergence absolue

Soit la suite :

\[A = \{ a_k \in \setR : k \in \setN \}\]

La suite dérivée :

\[P = \{ \abs{a_k} \in \setR : k \in \setN \}\]

est positive. Si on peut trouver un \(K \in \setR\) tel que :

\[\sum_{k = 0}^n \abs{a_k} \le K\]

pour tout \(n \in \setN\), la suite des valeurs absolues converge et :

\[\sum_{k = 0}^{+\infty} \abs{a_k} = \sup_{n \in \setN} \sum_{k = 0}^n \abs{a_k}\]

La suite des sommes résiduelles associées converge donc vers zéro :

\[\lim_{m \to \infty} \sum_{k = m}^{+\infty} \abs{a_k} = 0\]

Comme :

\[-\abs{a_k} \le a_k \le \abs{a_k}\]

on a :

\[-K \le - \sum_{k = 0}^n \abs{a_k} \le \sum_{k = 0}^n a_k \le \sum_{k = 0}^n \abs{a_k} \le K\]

et :

\[-K \le \sum_{k = 0}^n a_k \le K\]

La suite des sommes partielles \(S_n\) définies par :

\[S_n = \sum_{k = 0}^n a_k\]

est donc majorée et minorée. Elle admet par conséquent des limites suprémum :

\[\sigma = \limsup_{n \to \infty} S_n = \inf_{n \in \setN} \sup \{ S_k : k \in \setN, \ k \ge n \}\]

et infimum :

\[\lambda = \liminf_{n \to \infty} S_n = \sup_{n \in \setN} \inf \{ S_k : k \in \setN, \ k \ge n \}\]

La suite des \(S_n\) converge-t-elle ? Autrement dit, les limites suprémum et infimum des \(S_n\) sont-elles identiques ? On sait déjà que :

\[\lambda \le \sigma\]

Soit la famille de suprémums décroissants définie par :

\[H_m = \sup\{ S_n : n \in \setN, \, n \ge m \}\]

pour tout \(m \in \setN\). On a :

\[\sigma = \inf_{m \in \setN} H_m\]

Soit la famille d'infimums croissants définie par :

\[B_m = \inf\{ S_n : n \in \setN, \, n \ge m \}\]

pour tout \(m \in \setN\). On a :

\[\lambda = \sup_{m \in \setN} B_m\]

Soit \(\epsilon \strictsuperieur 0\). Comme la somme résiduelle converge vers zéro, on peut trouver un naturel \(M\) tel que :

\[\sum_{k = m}^{+\infty} \abs{a_k} \le \frac{\epsilon}{2}\]

pour tout naturel \(m\) vérifiant \(m \ge M\). Choisissons des naturels \(m,n\) tels que \(n \ge m + 1\) et \(m \ge M\). L'additivité finie nous dit que :

\[\sum_{k = 0}^n a_k = \sum_{k = 0}^m a_k + \sum_{k = m + 1}^n a_k\]

c'est-à-dire :

\[S_n = S_m + \sum_{k = m + 1}^n a_k\]

ou :

\[S_n - S_m = \sum_{k = m + 1}^n a_k\]

En prenant la valeur absolue, il vient :

\[\abs{S_n - S_m} = \abs{\sum_{k = m + 1}^n a_k} \le \sum_{k = m + 1}^n \abs{a_k}\]

Les termes \(\abs{a_k}\) étant positifs, la suite des \(D_i\) définie par :

\[D_i = \sum_{k = m + 1}^i \abs{a_k}\]

pour tout naturel \(i\) vérifiant \(i \ge m + 1\) est croissante, majorée et converge vers son suprémum. On a donc :

\[\sum_{k = m + 1}^n \abs{a_k} \le \lim_{i \to \infty} D_i = \sum_{k = m + 1}^{+\infty} \abs{a_k}\]

et :

\[\abs{S_m - S_n} \le \sum_{k = m + 1}^{+\infty} \abs{a_k}\]

Comme \(m + 1 \strictsuperieur m \ge M\), le terme de droite est majoré par \(\epsilon / 2\) et :

\[\abs{S_m - S_n} \le \frac{\epsilon}{2}\]

Choisissons \(m \ge M\). Pour tout naturel \(n\) vérifiant \(n \ge m\), on a soit \(n = m\) et \(S_n = S_m\), soit \(n \ge m + 1\). On en déduit les inégalités :

\[S_n \le \max \accolades{S_m, S_m + \frac{\epsilon}{2}} = S_m + \frac{\epsilon}{2}\]

et :

\[S_n \ge \min \accolades{S_m, S_m - \frac{\epsilon}{2}} = S_m - \frac{\epsilon}{2}\]

En passant au suprémum pour les entiers \(n\) vérifiant \(n \ge m\), on en déduit que :

\[H_m \le S_m + \frac{\epsilon}{2}\]

En passant à l'infimum pour les entiers \(n\) vérifiant \(n \ge m\), on en déduit que :

\[B_m \ge S_m - \frac{\epsilon}{2}\]

En combinant ces deux inégalités, on obtient :

\[H_m \le S_m + \frac{\epsilon}{2} = \parentheses{S_m - \frac{\epsilon}{2}} + \epsilon \le B_m + \epsilon\]

et a fortiori :

\[\inf_{ \substack{ m \in \setN \\ m \ge M } } H_m \le \sup_{ \substack{ m \in \setN \\ m \ge M } } B_m + \epsilon\]

c'est-à-dire :

\[\sigma \le \lambda + \epsilon\]

Cette relation étant valable pour tout \(\epsilon \strictsuperieur 0\), on en déduit que :

\[\sigma \le \lambda\]

Comme on a également \(\lambda \le \sigma\), on en conclut que \(\lambda = \sigma\). La somme converge donc et :

\[\sum_{k = 0}^{+\infty} a_k = \limsup_{n \to \infty} S_n = \liminf_{n \to \infty} S_n\]

6. Progression géométrique infinie

Si le réel \(a\) vérifie \(\abs{a} \strictsuperieur 1\), on voit que \(a^{n + 1}\) converge vers \(0\) lorsque \(n\) tend vers l'infini. On a alors :

\[\sum_{i=0}^{+\infty} a^i = \lim_{n \to \infty} \frac{a^{n + 1} - 1}{a - 1} = \frac{1}{1 - a}\]

7. Propriétés des sommes convergentes

7.1. Additivité

Si les sommes des \(a_i\) et des \(b_i\) convergent, alors les \(a_i + b_i\) aussi et on a :

\[\sum_{i=0}^{+\infty} ( a_i + b_i ) = \sum_{i=0}^{+\infty} a_i + \sum_{i=0}^{+\infty} b_i\]

Pareil pour les \(a_i - b_i\) :

\[\sum_{i=0}^{+\infty} ( a_i - b_i ) = \sum_{i=0}^{+\infty} a_i - \sum_{i=0}^{+\infty} b_i\]

7.2. Décalage

Si la somme des \(a_i\) converge, alors la somme des \(b_i\) définis par :

\begin{align*} b_0 &=& 0 \\ b_1 &=& a_0 \\ b_2 &=& a_1 \\ \ldots &=& \ldots \\ b_i &=& a_{i - 1} \\ \ldots &=& \ldots \end{align*}

converge aussi et :

\[\sum_{i=0}^{+\infty} b_i = \sum_{i=0}^{+\infty} a_i\]

8. Sommes de Cesaro

Voir la vidéo de Mathologer

Soit une suite de réels \(a_i\). On considère les sommes partielles :

\[S_n = \sum_{k = 0}^n a_k\]

ainsi que les moyennes partielles :

\[M_n = \frac{1}{n} \sum_{k = 0}^n S_k\]

Si la suite des \(M_n\) converge, elle respecte les propriétés d’additivité et de décalage des sommes convergentes classiques.

Si la suite des \(S_n\) converge, alors la suite des \(M_n\) aussi et :

\[\lim_{n \to +\infty} M_n = \lim_{n \to +\infty} S_n\]

Auteur: chimay

Created: 2025-11-30 dim 13:46

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