Exercice SSN 65 (Centrale 2015)

Exercice Publié par admin le 3 mai 2026
Bac Sciences MathĂ©matiques & LycĂ©e Suites et sĂ©ries numĂ©riques ÉnoncĂ© avec corrigĂ© dĂ©taillĂ©

Conseil méthodologique : Cherchez attentivement cet exercice au brouillon pendant 15 à 30 minutes avant de consulter la solution détaillée ci-dessous.

ÉnoncĂ© de l'exercice :

Soit $ \sum_{n \ge 2} a_n $ une série convergente à termes strictement positifs. Pour tout $ n \ge 2 $, on pose : \[ b_n = -a_n \frac{\ln(a_n)}{\ln n} \]

  1. Par une étude de $ x \mapsto -x \ln x $, montrer qu'il existe $ k_0 \ge 2 $ tel que : \[ \forall k \ge k_0, \quad a_k \le \frac{1}{k^3} \implies b_k \le \frac{3}{k^3} \]
  2. Montrer que la série $ \sum b_n $ converge.
  3. Soit $ (u_n)_{n \ge 2} $ une suite à termes dans $ ]0, 1[ $ telle que la série $ \sum \frac{u_n}{\ln(u_n)} $ converge. Montrer que la série $ \sum \frac{u_n}{\ln n} $ converge.

Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
(Centrale 2015)

  1. Majoration de $b_k$
    • ConsidĂ©rons la fonction :
      \begin{align*} f : &]0, 1] \longrightarrow \mathbb{R}\\ &x \longmapsto -x \ln x\\ \end{align*}
    • Sa dĂ©rivĂ©e est $f'(x) = -1 - \ln x$. La fonction $f$ est strictement croissante sur l'intervalle $]0, 1/e]$.
    • Puisque la sĂ©rie $\sum a_n$ converge, son terme gĂ©nĂ©ral tend vers $0$ : $\lim_{n \to +\infty} a_n = 0$. Il existe donc un rang $k_0 \ge 2$ tel que pour tout $k \ge k_0$, on ait $a_k \le 1/e$.
    • Pour tout $k \ge 2$, on vĂ©rifie Ă©galement que $1/k^3 \le 1/8 < 1/e$.
    • En supposant $a_k \le \frac{1}{k^3}$, la stricte croissance de $f$ sur $]0, 1/e]$ permet d'Ă©crire $f(a_k) \le f\left(\frac{1}{k^3}\right)$.
    • On Ă©value la fonction :
      \[ f\left(\frac{1}{k^3}\right) = -\frac{1}{k^3} \ln(k^{-3}) = \frac{3 \ln k}{k^3} \]
    • En divisant par $\ln k$ (strictement positif pour $k \ge 2$), on obtient directement :
      \[ b_k = \frac{f(a_k)}{\ln k} \le \frac{3 \ln k}{k^3 \ln k} = \frac{3}{k^3} \]
  2. Convergence de la série $\sum b_n$
    • Partitionnons l'ensemble des indices $k \ge k_0$ en deux sous-ensembles : $I_1 = \left\{k \ge k_0 \mid a_k \le \frac{1}{k^3}\right\}$ et $I_2 = \left\{k \ge k_0 \mid a_k > \frac{1}{k^3}\right\}$.
    • Pour $k \in I_1$, on a $0 \le b_k \le \frac{3}{k^3}$. La sĂ©rie de Riemann $\sum \frac{1}{k^3}$ convergeant, la sĂ©rie $\sum_{k \in I_1} b_k$ converge.
    • Pour $k \in I_2$, l'inĂ©galitĂ© $a_k > \frac{1}{k^3}$ implique $\ln a_k > -3 \ln k$, ce qui se réécrit $-\frac{\ln a_k}{\ln k} < 3$.
    • On en dĂ©duit la majoration :
      \[ b_k = a_k \left(-\frac{\ln a_k}{\ln k}\right) \le 3a_k \]
    • La sĂ©rie $\sum a_n$ Ă©tant convergente par hypothĂšse, la sĂ©rie $\sum_{k \in I_2} b_k$ converge.
    • La sĂ©rie $\sum b_n$ converge car elle est la somme de deux sĂ©ries convergentes.
  3. Convergence de la série $\sum \frac{u_n}{\ln n}$
    • Posons $a_n = -\frac{u_n}{\ln u_n}$. Comme $u_n \in ]0, 1[$, on a bien $a_n > 0$. Par hypothĂšse, la sĂ©rie $\sum a_n$ converge.
    • La condition nĂ©cessaire de convergence donne $\lim_{n \to +\infty} a_n = 0$. La fonction $x \mapsto \frac{-x}{\ln x}$ ne tendant vers $0$ qu'en $0$, on en dĂ©duit que $\lim_{n \to +\infty} u_n = 0$.
    • Cherchons un Ă©quivalent de $\ln a_n$ au voisinage de l'infini :
      \[ \ln a_n = \ln(u_n) - \ln(-\ln u_n) = \ln(u_n) \left( 1 - \frac{\ln(-\ln u_n)}{\ln u_n} \right) \]
    • Puisque $u_n \to 0$, on a $-\ln u_n \to +\infty$. Par croissances comparĂ©es, $\frac{\ln(-\ln u_n)}{\ln u_n} \to 0$, d'oĂč $\ln a_n \sim \ln u_n$.
    • D'aprĂšs la question 2, la suite $(a_n)$ permet de construire une sĂ©rie convergente $\sum b_n$ oĂč $b_n = -a_n \frac{\ln a_n}{\ln n}$.
    • DĂ©terminons l'Ă©quivalent de $b_n$ :
      \[ b_n = a_n \frac{-\ln a_n}{\ln n} \sim \left( \frac{-u_n}{\ln u_n} \right) \frac{-\ln u_n}{\ln n} = \frac{u_n}{\ln n} \]
    • Puisque $b_n \ge 0$ et $\frac{u_n}{\ln n} \ge 0$, le thĂ©orĂšme d'Ă©quivalence des sĂ©ries Ă  termes positifs permet de conclure que la sĂ©rie $\sum \frac{u_n}{\ln n}$ converge.