Nous allons maintenant changer de stratégie et approcher \ln(2) à l'aide d'une autre suite.
On commence par un rappel. Soit f\in C([a,b]) et n\in \mathbb{N}^*, on pose
S_n(f):= \frac{1}{n}\sum_{k=1}^n f(a + k(b-a)/n).
Quand n\to\infty, on a que S_n tend vers \int_a^b f(t) dt. Voir par exemple ici pour une preuve. En fait S_n est une somme de Riemann associé à f, elle correspond à prendre la valeur de f aux points de droite (car la somme commence par 1 et fini par n) pour approcher l'intégrale. Pour avoir les points de gauche, il aurait fallut prendre k=0,...,(n-1).
Considérons f(x):=\frac{1}{1+x} sur [0,1]. On voit que \int_0^1 f(t) dt= \ln(2) qui est la valeur qui nous intéresse. La suite S_n est donnée, quant à elle, par
S_n= \frac{1}{n} \sum_{k=1}^n \frac{1}{1+ k/n}= \sum_{k=1}^n \frac{1}{n+ k}.
Il nous reste à estimer l'erreur d'approximation. On pose x_k:= 1+k/n. On utilise le théorème des accroissements finis sur chaque intervalle [x_k, x_{k+1}]. On obtient :
\begin{align*}|S_n - \ln(2)|&= \left|\frac{1}{n} \sum_{k=1}^n f(k/n) - \int_0^1 f(t) dt \right|\\&= \left| \sum_{k=1}^n \left( \left(\frac{k}{n} - \frac{k-1}{n}\right)f(k/n) - \int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}} f(t) dt\right)\right|\\ & =\left|\sum_{k=1}^n \int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}} (f(k/n) -f(t)) dt\right|\\ &\leq \sum_{k=1}^n \int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}} \left|f(k/n) -f(t)\right| dt\\ &\leq \sum_{k=1}^n \int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}}\sup_{s\in [(k-1)/n, k/n]}|f'(s)| \left|k/n-t\right| dt\\ &\leq \sup_{s\in [0,1]}|f'(s)| \sum_{k=1}^n \int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}} \frac{1}{n} dt = \frac{1}{n} \sup_{s\in [0,1]}|f'(s)| = \frac{1}{n}.\end{align*}
La convergence est du même ordre que celle obtenue par la série alternée. Elle est très lente.
Remarque : Cette méthode est générale et marche car f est C^1. Plus généralement on a que \left|S_n(f)- \int_a^b f(t) dt\right| \leq\sup_{s\in [0,1]}|f'(s)|\frac{b-a}{n}.
Remarque : Cette méthode est générale et marche car f est C^1. Plus généralement on a que \left|S_n(f)- \int_a^b f(t) dt\right| \leq\sup_{s\in [0,1]}|f'(s)|\frac{b-a}{n}.
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