Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « convergence absolue dans un espace de Banach » ?

Définition 7.1 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 7 — Suites et séries

Pour une suite (un)(u_n) dans un espace normé EE, la série un\sum u_n converge lorsque ses sommes partielles convergent ; elle converge absolument lorsque un<\sum \norm{u_n} < \infty. Dans un espace de Banach, la convergence absolue implique la convergence (Théorème 5.21) ; dans un espace non complet, cela peut être faux (Exercice 7.9).

Exemples

Exemple 7.2

Dans Mn(K)\mathcal{M}_n(K) (ou Lc(E)\mathcal{L}_c(E), EE de Banach) : pour A<1\vertiii A < 1, la série de Neumann Ak\sum A^k converge absolument vers (IA)1(I - A)^{-1} (démontré à l’Exercice 5.5) ; Akk!\sum \frac{A^k}{k!} converge absolument vers eA\eu^A pour tout AA (Exemple 5.22). Les séries géométrique et exponentielle à valeurs opérateurs se comportent comme leurs modèles scalaires — tout l’intérêt du cadre de Banach.

Exemple 7.4

sinnn\sum \frac{\sin n}{n} converge : an=1n0a_n = \frac1n \downarrow 0 et Bn=k=1nsinkB_n = \sum_{k=1}^{n} \sin k est bornée — en effet Bn=kneik=ei(ein1)ei1B_n = \Im\sum_{k \leq n} \eu^{\iu k} = \Im\,\frac{\eu^{\iu}(\eu^{\iu n} - 1)}{\eu^{\iu} - 1}, de module 2ei1\leq \frac{2}{\abs{\eu^{\iu} - 1}}. Elle ne converge pas absolument (sinnsin2n=1cos2n2\abs{\sin n} \geq \sin^2 n = \frac{1 - \cos 2n}{2}, et 1cos2n2n\sum \frac{1 - \cos 2n}{2n} diverge puisque cos2nn\sum \frac{\cos 2n}{n} converge par le même critère d’Abel tandis que 12n\sum \frac{1}{2n} diverge). Le critère spécial des séries alternées est le cas particulier bn=(1)nb_n = (-1)^n.

Exemple 7.5 (Abel sur le cercle de convergence)

Pour quels complexes zz avec z=1\abs z = 1 la série n1znn\sum_{n \geq 1} \frac{z^n}{n} converge-t-elle ? En z=1z = 1, c’est la série harmonique : divergente. Pour z1z \neq 1 sur le cercle, le critère d’Abel s’applique avec an=1n0a_n = \frac1n \downarrow 0 et bn=znb_n = z^n, dont les sommes partielles sont bornées indépendamment de NN :

n=1Nzn=z(zN1)z12z1.\Bigl|\sum_{n=1}^{N} z^n\Bigr| = \Bigl|\frac{z(z^N - 1)}{z - 1}\Bigr| \leq \frac{2}{\abs{z - 1}} .

Convergente — mais jamais absolument (1n\sum\frac1n). Une seule série, tout un cercle de comportements : divergence en un unique point, semi-convergence partout ailleurs. C’est le comportement au bord standard des séries entières (Chapitre 11), rencontré ici à mains nues ; en z=1z = -1, on retrouve la série harmonique alternée, et en z=eiθz = \eu^{\iu\theta} ses parties réelle et imaginaire sont les séries cosnθn\sum\frac{\cos n\theta}{n} et sinnθn\sum\frac{\sin n\theta}{n} de l’Exercice 7.4.

Lire dans le chapitre →