Rayon de convergence

Le rayon de convergence d'une série entière est le nombre réel positif ou +∞ égal à la borne supérieure de l'ensemble des modules des nombres complexes où la série converge (au sens classique de la convergence simple):

${\displaystyle R=\sup \left\{|z|:z\in \mathbb {C} ,\sum a_{n}z^{n}{\text{ converge simplement }}\right\}\in \,[0,+\infty ]={\overline {\mathbb {R} ^{+}}}.}$

Propriétés

Si R est le rayon de convergence d'une série entière, alors la série est absolument convergente sur le disque ouvert D(0, R) de centre 0 et de rayon R. Ce disque est appelé disque de convergence. Cette convergence absolue entraine ce qui est parfois qualifié de convergence inconditionnelle : la valeur de la somme en tout point de ce disque ne dépend pas de l'ordre des termes. Par exemple, on a :

• ${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{a_{n}z^{n}}=\sum _{n=0}^{\infty }a_{2n}z^{2n}+\sum _{n=0}^{\infty }a_{2n+1}z^{2n+1}}$ ;
• ${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }\sum _{k=0}^{\infty }{a_{n}b_{k}z^{n+k}}=\left(\sum _{n=0}^{\infty }a_{n}z^{n}\right)\left(\sum _{k=0}^{\infty }b_{k}z^{k}\right)\ \ \forall |z|<\min(R_{1},R_{2})}$, où ${\displaystyle R_{1}}$ et ${\displaystyle R_{2}}$ sont les rayons de convergence des deux séries entières (voir Produit de Cauchy).

Si la série entière ${\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{a_{n}z^{n}}}$ a pour rayon de convergence R, alors :

• la convergence est même normale (donc uniforme) sur tout compact inclus dans D(0, R) ;
• pour tout complexe z tel que |z| > R, la série diverge grossièrement ;
• pour tout complexe z tel que |z| = R, la série peut soit diverger, soit converger ;
• l'inverse du rayon R est donné par le théorème de Cauchy-Hadamard : ${\displaystyle {\frac {1}{R}}=\limsup _{n\to \infty }{\sqrt[{n}]{|a_{n}|}}\leq \limsup _{n\to \infty }\left|{\frac {a_{n+1}}{a_{n}}}\right|}$, où lim sup désigne la limite supérieure ;
• si R est non nul, alors la somme f de la série entière est une fonction holomorphe sur D(0, R), où l'on a ${\displaystyle f^{(k)}(z)=\sum _{n=k}^{\infty }{\frac {n!}{(n-k)!}}a_{n}z^{n-k}}$ ;
• si le rayon R est infini, alors la série entière est appelée fonction entière.