Mathématiques · Glossaire

Qu'est-ce que « Rayon de convergence » ?

Définition 11.2 Mathématiques universitaires — Licence 2 · Chapitre 11 — Séries entières

Le rayon de convergence de anzn\sum a_n z^n est

R=sup{r0:(anrn) borneˊe}[0,+].R = \sup\{r \geq 0 : (a_n r^n) \text{ bornée}\} \in \intcc{0}{+\infty} .

D’après le Lemme 11.1 : convergence absolue pour z<R\abs z < R (normale sur les sous-disques compacts), divergence — avec des termes non bornés, même — pour z>R\abs z > R. Sur le cercle bord, tout peut arriver (Exercice 11.2). En pratique, RR se calcule par la règle de d’Alembert appliquée à anzn\abs{a_n}\abs z^n ou par comparaison.

Exemples

Exemple 11.3 (Un rayon sans règle du quotient)

Quel est le rayon de sin(n)zn\sum \sin(n)\,z^n ? Le quotient sin(n+1)/sinn\abs{\sin(n+1)/\sin n} n’a pas de limite, mais la définition fonctionne directement. R1R \geq 1 : sinn1\abs{\sin n} \leq 1, donc (sinnrn)(\sin n\cdot r^n) est bornée pour tout r<1r < 1 — et même pour r=1r = 1. R1R \leq 1 : il suffit que sinn↛0\sin n \not\to 0. Supposons sinn0\sin n \to 0 ; la formule d’addition

sin(n+1)=sinncos1+cosnsin1\sin(n+1) = \sin n\cos 1 + \cos n\sin 1

forcerait cosn0\cos n \to 0 (résoudre en cosn\cos n : sin10\sin 1 \neq 0), en contradiction avec sin2n+cos2n=1\sin^2 n + \cos^2 n = 1. Ainsi les termes sin(n)1n\sin(n)\,1^n ne tendent pas vers 00 : la série diverge en z=1z = 1, et R1R \leq 1. Conclusion : R=1R = 1. Idée à retenir : le rayon est une affirmation sur le caractère borné de anrn\abs{a_n}r^n — aucune limite de quotients n’est jamais requise, et les arguments de bornitude règlent des cas que la règle du quotient ne peut pas toucher (comparer avec les coefficients oscillants de l’Exercice 11.1).

Exemple 11.6 (Multiplier par 11x\frac{1}{1-x} somme les coefficients)

Un produit de Cauchy contre la série géométrique a un sens mémorable : pour toute anxn\sum a_nx^n de rayon R>0R > 0 et x<min(R,1)\abs x < \min(R, 1),

11xn0anxn=n0(k=0nak)xn:\frac{1}{1-x}\sum_{n\geq0}a_nx^n = \sum_{n\geq0}\Bigl(\sum_{k=0}^{n}a_k\Bigr)x^n :

la multiplication par 11x\frac{1}{1-x} remplace les coefficients par leurs sommes partielles (convolution avec la suite constante égale à un). Exemple : ex1x=nsnxn\dfrac{\eu^x}{1-x} = \sum_n s_n x^n avec sn=kn1k!s_n = \sum_{k\leq n}\frac{1}{k!}, les sommes partielles de e\eu — comparer avec l’Exercice 11.11, où le même produit avec ex\eu^{-x} encode les nombres de dérangements. Idée à retenir : les opérations sur les séries entières sont des opérations déguisées sur les suites de coefficients (multiplier par 11x\frac1{1-x} : sommer ; multiplier par xx : décaler ; dériver : multiplier par nn et décaler) — un dictionnaire que le chapitre sur les fonctions génératrices lira couramment.

Exemple 11.20 (La formule de Binet, menée à bien)

Soient φ=1+52\varphi = \frac{1+\sqrt5}{2} et ψ=152\psi = \frac{1-\sqrt5}{2}, les racines de X2=X+1X^2 = X + 1 ; comme φ+ψ=1\varphi + \psi = 1 et φψ=1\varphi\psi = -1,

1xx2=(1φx)(1ψx).1 - x - x^2 = (1 - \varphi x)(1 - \psi x) .

Éléments simples : en cherchant x(1φx)(1ψx)=A1φx+B1ψx\frac{x}{(1-\varphi x)(1-\psi x)} = \frac{A}{1 - \varphi x} + \frac{B}{1 - \psi x}, le terme constant donne A+B=0A + B = 0 et le coefficient de xx donne AψBφ=1-A\psi - B\varphi = 1, donc A(φψ)=1A(\varphi - \psi) = 1 : A=15=BA = \frac{1}{\sqrt5} = -B. Deux séries géométriques plus tard,

F(x)=15n0(φnψn)xnFn=φnψn5F(x) = \frac{1}{\sqrt5}\sum_{n\geq0} \bigl(\varphi^n - \psi^n\bigr)x^n \quad\Longrightarrow\quad F_n = \frac{\varphi^n - \psi^n}{\sqrt5}

par unicité des coefficients (Théorème 11.7). Comme ψ<1\abs\psi < 1, le terme ψn5\frac{\psi^n}{\sqrt5} a une valeur absolue <12< \frac12 : FnF_n est l’entier le plus proche de φn5\frac{\varphi^n}{\sqrt5}. Idée à retenir : le rayon 1φ\frac1\varphi de FF est l’inverse de la racine dominante — croissance des coefficients et rayon de convergence sont la même information lue en sens opposés.

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