Les suites

Exercice 7 - Exercice 1

1 min
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Des Suites avec des exponentielles :)
Question 1
Le but de l’exercice est démontrer que l’équation (E)\left(E\right) : ex=1xe^{x} =\frac{1}{x}
admet une unique solution dans l’ensemble R\mathbb{R} des nombres réels, et de construire une suite qui converge vers cette unique solution.
On note ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par : f(x)=xexf\left(x\right)=x-e^{-x}

Démontrer que si xx est solution de l’équation (E)\left(E\right) alors f(x)=0f\left(x\right)=0 .

Correction
(E)\left(E\right) : ex=1xe^{x} =\frac{1}{x} équivaut successivement à :
x×ex=1x×xx\times e^{x} =\frac{1}{x} \times x
xex=1xe^{x} =1
xexex=1ex\frac{xe^{x} }{e^{x} } =\frac{1}{e^{x} }
x=1exx=\frac{1}{e^{x} }
x=exx=e^{-x}
xex=0x-e^{-x} =0
f(x)=0f\left(x\right)=0

Nous avons démontré que si xx est solution de l’équation (E)\left(E\right) alors f(x)=0f\left(x\right)=0 .
Question 2

Calculer la limite de ff en -\infty .

Correction
Ici, il s'agit d'une limite par composition.
On commence par calculer limxx=+\lim\limits_{x\to -\infty }-x =+\infty.
On pose X=xX=-x.
Ainsi : limX+eX=+\lim\limits_{X\to +\infty} e^{X} =+\infty.
Par composition :
limxex=+\lim\limits_{x\to -\infty } e^{-x } =+\infty

Finalement : limxxex=\lim\limits_{x\to -\infty } x-e^{-x } =-\infty
Question 3

Calculer la limite de ff en ++\infty .

Correction
Ici, il s'agit d'une limite par composition.
On commence par calculer limx+x=\lim\limits_{x\to +\infty }-x =-\infty.
On pose X=xX=-x.
Ainsi : limXeX=0\lim\limits_{X\to -\infty} e^{X} =0.
Par composition :
limx+ex=0\lim\limits_{x\to +\infty } e^{-x } =0

Finalement : limx+xex=+\lim\limits_{x\to +\infty } x-e^{-x } =+\infty
Question 4

Étudier le sens de variations de la fonction ff sur R\mathbb{R}.

Correction
Soit f(x)=xexf\left(x\right)=x-e^{-x} .
ff est dérivable sur R\mathbb{R} .
  • (eu)=ueu\left(e^{u} \right)^{'} =u'e^{u}
  • Ainsi :
    f(x)=1+exf'\left(x\right)=1+e^{-x}

    Pour tout xRx\in\mathbb{R} , on sait que ex>0e^{-x}>0.
    De ce fait, pour tout xRx\in\mathbb{R}, on a : f(x)>0f'\left(x\right)>0 ce qui implique que la fonction ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}
    Question 5

    En déduire que l’équation (E)\left(E\right) possède une unique solution sur R\mathbb{R}, notée α\alpha.

    Correction
    D'après la question 11, nous avons démontré que si xx est solution de l’équation (E)\left(E\right) alors f(x)=0f\left(x\right)=0 .
    Nous pouvons donc traduire la question par : démontrer que l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 admet une unique solution sur R\mathbb{R}, notée α\alpha.
  • Sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante.
    De plus, limxf(x)=\lim\limits_{x\to -\infty } f\left(x\right)=-\infty et limx+f(x)=+\lim\limits_{x\to +\infty } f\left(x\right)=+\infty . Or 0];+[0\in \left]-\infty;+\infty\right[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à R\mathbb{R} tel que f(x)=0f\left(x\right)=0.
  • Question 6

    Démontrer que α\alpha appartient à l’intervalle [12;1]\left[\frac{1}{2} ; 1\right] .

    Correction
    A la calculatrice, on vérifie que :
    f(12)0,106f\left(\frac{1}{2}\right)\approx-0,106 et f(1)0,632f\left(1\right)\approx0,632
    Or 0[0,106;0,632]0 \in \left[-0,106;0,632\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que : 12α1\frac{1}{2}\le\alpha\le 1
    Question 7

    Étudier le signe de ff sur l’intervalle [0;α]\left[0 ; \alpha\right] .

    Correction
    Sur ];+[\left]-\infty;+\infty\right[, la fonction ff est continue et strictement croissante et f(α)=0f\left(\alpha\right) = 0
    Donc f(x)0f\left(x\right)\le0 pour tout x];α]x\in\left]-\infty;\alpha\right] et f(x)0f\left(x\right)\ge0 pour tout x[α;+[x\in\left[\alpha;+\infty\right[
    On résume cela dans un tableau de signe :
    Or nous savons que 12α1\frac{1}{2}\le\alpha\le 1 ce qui nous permet de dire que sur l'intervalle [0;α]\left[0 ; \alpha\right], la fonction ff est négative.
    Question 8
    On note gg la fonction définie sur l’intervalle [0;α]\left[0 ; \alpha\right] par : g(x)=1+x1+exg\left(x\right)=\frac{1+x}{1+e^{x} }

    Démontrer que l’équation f(x)=0f\left(x\right)=0 est équivalente à l’équation g(x)=xg\left(x\right)=x .

    Correction
    g(x)=xg\left(x\right)=x équivaut successivement à :
    1+x1+ex=x\frac{1+x}{1+e^{x} } =x
    1+x=x×(1+ex)1+x=x\times \left(1+e^{x} \right)
    1+x=x+xex1+x=x+xe^{x}
    1+xx=xex1+x-x=xe^{x}
    1=xex1=xe^{x}
    1x=ex\frac{1}{x} =e^{x} . Une fois rendu, ici, il nous faut reprendre le même raisonnement que la question 11, que nous réécrivons ci-dessus :
    (E)\left(E\right) : ex=1xe^{x} =\frac{1}{x} équivaut successivement à :
    x×ex=1x×xx\times e^{x} =\frac{1}{x} \times x
    xex=1xe^{x} =1
    xexex=1ex\frac{xe^{x} }{e^{x} } =\frac{1}{e^{x} }
    x=1exx=\frac{1}{e^{x} }
    x=exx=e^{-x}
    xex=0x-e^{-x} =0
    f(x)=0f\left(x\right)=0
    Question 9

    En déduire que α\alpha est l’unique réel vérifiant : g(α)=αg\left(\alpha\right)=\alpha .

    Correction
    D'après la question 55, nous avons vu que α\alpha était l’unique solution dans [0;1]\left[0;1\right] de l’équation f(x)=0f\left(x\right)=0 qui est équivalente à g(x)=xg\left(x\right)=x.
    Il en résulte donc que α\alpha est l’unique solution dans [0;1]\left[0;1\right] de l’équation g(x)=xg\left(x\right)=x.
    Finalement, α\alpha est l’unique réel vérifiant : g(α)=αg\left(\alpha\right)=\alpha .
    Question 10

    Calculer g(x)g'\left(x\right) et montrer que g(x)=exf(x)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{-e^{x} f\left(x\right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }

    Correction
    On note gg la fonction définie sur l’intervalle [0;α]\left[0 ; \alpha\right] par : g(x)=1+x1+exg\left(x\right)=\frac{1+x}{1+e^{x} }
    gg est dérivable sur [0;α]\left[0 ; \alpha\right] .
    On reconnaît la forme (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} } avec u(x)=1+xu\left(x\right)=1+x et v(x)=1+exv\left(x\right)=1+e^{x}
    Ainsi : u(x)=1u'\left(x\right)=1 et v(x)=exv'\left(x\right)=e^{x}.
    Il vient alors que :
    g(x)=1×(1+ex)(1+x)×ex(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{1\times \left(1+e^{x} \right)-\left(1+x\right)\times e^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=1+exexxex(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{1+e^{x} -e^{x} -xe^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=1xex(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{1-xe^{x} }{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=ex(1xexex)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{e^{x} \left(\frac{1-xe^{x} }{e^{x} } \right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} } . Nous avons factoriser le numérateur par exe^{x}
    g(x)=ex(1exxexex)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{e^{x} \left(\frac{1}{e^{x} } -\frac{xe^{x} }{e^{x} } \right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=ex(exx)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{e^{x} \left(e^{-x} -x\right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=ex(xex)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{-e^{x} \left(x-e^{-x} \right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    g(x)=exf(x)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{-e^{x} f\left(x\right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }

    Question 11

    En déduire que la fonction gg est croissante sur l’intervalle [0;α]\left[0;\alpha\right].

    Correction
    Nous savons que g(x)=exf(x)(1+ex)2g'\left(x\right)=\frac{-e^{x} f\left(x\right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }
    Pour tout réel [0;α]\left[0 ; \alpha\right], nous savons que ex>0e^{x}>0 et (1+ex)2>0\left(1+e^{x} \right)^{2}>0. De ce fait, le signe de gg' est alors dépend du signe de f-f.
    D'après la question 77, sur l'intervalle [0;α]\left[0 ; \alpha\right], la fonction ff est négative. Ainsi f(x)>0-f\left(x\right)>0
    Il en résulte donc que, pour tout réel [0;α]\left[0 ; \alpha\right] , g(x)=exf(x)(1+ex)2>0g'\left(x\right)=\frac{-e^{x} f\left(x\right)}{\left(1+e^{x} \right)^{2} }>0 et de ce fait, pour tout réel [0;α]\left[0 ; \alpha\right], la fonction gg est strictement croissante.
    Question 12
    On considère la suite (un)\left(u_{n}\right) définie par : u0=0u_{0}=0 et, pour tout entier naturel nn, par : un+1=g(un)u_{n+1} =g\left(u_{n} \right)

    Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel nn : 0unun+1α0\le u_{n} \le u_{n+1} \le \alpha

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:0unun+1αP_{n} : 0\le u_{n} \le u_{n+1} \le \alpha
    Etape d'initialisation
    On sait que u0=0u_{0} =0 et u1=g(u0)=g(0)=12u_{1} =g\left(u_{0} \right)=g\left(0 \right)=\frac{1}{2}
    ainsi 0u0u1α0\le u_{0} \le u_{1} \le \alpha .
    La propriété P0P_{0} est vraie.
    Etape d'hérédité
    On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire 0ukuk+1α0\le u_{k} \le u_{k+1} \le \alpha et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire 0ukuk+1α0\le u_{k} \le u_{k+1} \le \alpha
    Par hypothèse de récurrence :
    0ukuk+1α0\le u_{k} \le u_{k+1} \le \alpha , or la fonction gg est croissante sur l'intervalle [0;α]\left[0;\alpha\right] ainsi l'ordre sera conservé.
    g(0)g(uk)g(uk+1)g(α)g\left(0\right)\le g\left(u_{k} \right)\le g\left(u_{k+1} \right)\le g\left(\alpha \right).
    Nous savons que g(0)=0g\left(0\right)=0 et que g(α)=αg\left(\alpha\right)=\alpha d'après la question 99.
    De plus g(uk)=uk+1g\left(u_{k} \right)=u_{k+1} et que g(uk+1)=uk+2g\left(u_{k+1} \right)=u_{k+2} .
    Cela nous donne :
    0uk+1uk+2α0\le u_{k+1} \le u_{k+2} \le \alpha
    Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
    Conclusion
    Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire pour tout entier naturel nn : 0unun+1α0\le u_{n} \le u_{n+1} \le \alpha
    Question 13

    En déduire que la suite (un)\left(u_{n}\right) est convergente. On note ll sa limite.

    Correction
    Nous venons de montrer que 0unun+1α0\le u_{n} \le u_{n+1} \le \alpha . Cela signifie donc que unun+1u_{n} \le u_{n+1} . Autrement dit la suite (un)\left(u_{n}\right) est croissante.
    De plus, comme 0unun+1α0\le u_{n} \le u_{n+1} \le \alpha alors unα u_{n} \le \alpha qui nous permet de conclure que la suite (un)\left(u_{n}\right) est majorée par α\alpha.
    • Une suite décroissante et minorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
    • Une suite croissante et majorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
    D'après le théorème de convergence des suites monotones , on peut affirmer que la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente et admet donc une limite que l'on note ll.
    Question 14

    Justifier l’égalité : g(l)=lg\left(l\right)=l. En déduire la valeur de ll .

    Correction
    Comme la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente alors elle admet une limite que l'on note ll.
    Nous pouvons écrire que : limn+un=limn+un+1=l\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n} =\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n+1}=l
    Or la fonction gg est continue donc limn+g(un)=g(l)\lim\limits_{n\to +\infty } g\left(u_{n} \right)=g\left(l\right) .
    Comme g(un)=un+1g\left(u_{n} \right)= u_{n+1} alors limn+un+1=g(l)\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n+1}=g\left(l\right)
    Nous avons alors limn+un+1=g(l)\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n+1}=g\left(l\right) et limn+un+1=l\lim\limits_{n\to +\infty } u_{n+1}=l
    Ainsi :
    g(l)=lg\left(l\right)=l

    D'après la question 99, nous savons que α\alpha est l’unique réel vérifiant : g(α)=αg\left(\alpha\right)=\alpha .
    Par conséquent :
    l=αl=\alpha