Exercice 07-03
Discuter la convergence de la série géométrique \(\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}q^{n}\) en fonction de \(q\in \mathbb{R}\), en utilisant
  1. le critère de d'Alembert,
  2. le critère de Cauchy.
Bien sûr, on sait depuis longtemps que la série géométrique \[ 1+q+q^2+q^3+\cdots \] converge si et seulement si \(|q|\lt 1\). Dans cet exercice, il s'agit de redémontrer ce résultat à l'aide des résultats vus dans ce chapitre sur les séries.
On est donc en train de considérer une série de terme général \(a_n=q^n\).
  1. Critère de d'Alembert: Si \(q=0\) la série converge bien-sûr, et si \(q\neq 0\) on calcule \[ \rho= \lim_{n\to\infty}\left| \frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right| =\lim_{n\to\infty}\left| \frac{q^{n+1}}{q^{n}}\right| =|q|. \] Donc par le critère, la série géométrique converge absolument si \(|q|<1\) (la convergence absolue pour \(q=0\) est triviale) et diverge si \(|q|>1\). Si \(|q|=1\), la série diverge aussi, car \(a_n\) ne tend pas vers zéro.
  2. Critère de Cauchy: on calcule \[ \sigma= \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_{n}|}=\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|q^{n}|}=|q|. \] Donc par le critère, la série converge absolument pour \(|q|<1\) et diverge pour \(|q|>1\). Si \(|q|=1\), la série diverge aussi, car \(\lim\limits_{n\to\infty}a_{n}\neq 0\).