Développements limités

Opérations sur les développements limités : Composition de DL - Exercice 2

30 min
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Déterminer les D.L. des fonctions suivantes :
Question 1

Donner un D.L. à l'ordre 3, au voisinage de 00, de f(x)=1+sin(x)f(x) = \sqrt{1+\sin(x)}.

Correction
On a :
sin(x)=xx36+o(x3)\sin(x) = x - \dfrac{x^3}{6} + o(x^3)
et
1+X=1+X2X28+X316+o(X3)\sqrt{1+X} = 1 + \dfrac{X}{2} - \dfrac{X^2}{8} + \dfrac{X^3}{16} + o(X^3)
On va pouvoir remplacer XX par xx36 x - \dfrac{x^3}{6} car on a :
limx0sin(x)=limx0(xx36+o(x3))=0\lim_{x \longrightarrow 0} \sin(x) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( x - \dfrac{x^3}{6} + o(x^3) \right) = 0
Ainsi, il est possible d'écrire :
1+sin(x)=1+(xx36)2(xx36)28+(xx36)316+o(x3)\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)}{2} - \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)^2}{8} + \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)^3}{16} + o(x^3)
On développe, en ne conservant que les termes de degreˊ infeˊrieur ou eˊgal aˋ trois{\color{red}{\textbf{en ne conservant que les termes de degré inférieur ou égal à trois}}}, pour obtenir :
1+sin(x)=1+xx362x28+x316+o(x3)\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{ x - \dfrac{x^3}{6}}{2} - \dfrac{ x^2 }{8} + \dfrac{x^3}{16} + o(x^3)
Ce qui nous donne :
1+sin(x)=1+x2x312x28+x316+o(x3)\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{x}{2} - \dfrac{x^3}{12} - \dfrac{x^2}{8} + \dfrac{x^3}{16} + o(x^3)
Où encore :
1+sin(x)=1+x2x28+x316x312+o(x3)\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{x}{2} - \dfrac{x^2}{8} + \dfrac{x^3}{16} - \dfrac{x^3}{12} + o(x^3)
Donc :
1+sin(x)=1+x2x28+(116112)x3+o(x3)\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{x}{2} - \dfrac{x^2}{8} + \left(\dfrac{1}{16} - \dfrac{1}{12}\right) x^3 + o(x^3)
Avec :
116112=121616×12=416×12=116×3=148\dfrac{1}{16} - \dfrac{1}{12} = \dfrac{12 - 16}{16 \times 12} = \dfrac{-4}{16 \times 12} = \dfrac{-1}{16 \times 3} = -\dfrac{1}{48}
Finalement, on trouve que :
1+sin(x)=1+x2x28x348+o(x3){\color{red}{\boxed{\sqrt{1+\sin(x)} = 1 + \dfrac{x}{2} - \dfrac{x^2}{8} - \dfrac{x^3}{48} + o(x^3)}}}
Question 2

Donner un D.L. à l'ordre 4, au voisinage de 00, de f(x)=1+cos(x)f(x) = \sqrt{1+\cos(x)}.

Correction
On a :
cos(x)=1x22+x424+o(x4)\cos(x) = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4)
et
1+X=1+X2X28+X3165X4128+o(X4)\sqrt{1+X} = 1 + \dfrac{X}{2} - \dfrac{X^2}{8} + \dfrac{X^3}{16} - \dfrac{5X^4}{128} + o(X^4)
On ne va pas pouvoir remplacer XX par 1x22+x4241 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} car on a :
limx0cos(x)=limx0(1x22+x424+o(x4))=10\lim_{x \longrightarrow 0} \cos(x) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4) \right) = 1 \neq 0
Nous allons donc écrire que :
f(x)=1+cos(x)=1+1x22+x424+o(x4)=2x22+x424+o(x4)f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{1 + 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4)} = \sqrt{2 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4)}
Nous allons utiliser une astuce simple : la factorisation ! Nous écrivons donc :
f(x)=2(1x24+x448+o(x4))=2×1x24+x448+o(x4)=2×1+(x24+x448)+o(x4)f(x) = \sqrt{2 \left( 1 - \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} + o(x^4)\right)} = \sqrt{2 } \times \sqrt{ 1 - \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} + o(x^4)} = \sqrt{2} \times \sqrt{ 1 + \left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} \right) + o(x^4)}
Ainsi, dans la relation 1+X=1+X2X28+X3165X4128+o(X4)\sqrt{1+X} = 1 + \dfrac{X}{2} - \dfrac{X^2}{8} + \dfrac{X^3}{16} - \dfrac{5X^4}{128} + o(X^4) on va remplacer XX par x24+x448- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48}. Cette fois, nous pouvons faire ce remplacement car on a bien limx0(x24+x448+o(x4))=0\lim_{x \longrightarrow 0} \left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} + o(x^4)\right) = 0. On obtient alors :
f(x)=1+cos(x)=2×(1+(x24+x448)2(x24+x448)28+(x24+x448)3165(x24+x448)4128+o(x4))f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} \times \left(1 + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} \right)}{2} - \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} \right)^2}{8} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} \right)^3}{16} - \dfrac{5\left(- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} \right)^4}{128} + o(x^4) \right)
On développe, en ne conservant que les termes de degré inférieur ou égal à quatre, pour obtenir :
f(x)=1+cos(x)=2×(1+x24+x4482x4168+o(x4))f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} \times \left(1 + \dfrac{- \dfrac{x^2}{4} + \dfrac{x^4}{48} }{2} - \dfrac{\dfrac{x^4}{16}}{8} + o(x^4) \right)
Soit :
f(x)=1+cos(x)=2×(1x28+x496x4128+o(x4))f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} \times \left(1 - \dfrac{x^2}{8} + \dfrac{x^4}{96} - \dfrac{x^4}{128} + o(x^4) \right)
Soit encore :
f(x)=1+cos(x)=2×(1x28+(1961128)x4+o(x4))f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} \times \left(1 - \dfrac{x^2}{8} + \left( \dfrac{1}{96} - \dfrac{1}{128} \right)x^4 + o(x^4) \right)
Avec :
1961128=1289696×128=3296×128=196×4=1384\dfrac{1}{96} - \dfrac{1}{128} = \dfrac{128- 96}{96 \times 128} = \dfrac{32}{96 \times 128} = \dfrac{1}{96 \times 4} = \dfrac{1}{384}
Ainsi :
f(x)=1+cos(x)=2×(1x28+1384x4+o(x4))f(x) = \sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} \times \left(1 - \dfrac{x^2}{8} + \dfrac{1}{384} x^4 + o(x^4) \right)
Finalement, on trouve que :
1+cos(x)=228x2+2384x4+o(x4){\color{red}{\boxed{\sqrt{1+\cos(x)} = \sqrt{2} - \dfrac{\sqrt{2}}{8}x^2 + \dfrac{\sqrt{2}}{384} x^4 + o(x^4) }}}
Question 3

Donner un D.L. à l'ordre 4, au voisinage de 00, de f(x)=ecos(x)f(x) = e^{\cos(x)}.

Correction
On a :
cos(x)=1x22+x424+o(x4)\cos(x) = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4)
et
eX=1+X+X22+X36+X424+o(X4)e^X = 1 + X + \dfrac{X^2}{2} + \dfrac{X^3}{6} + \dfrac{X^4}{24} + o(X^4)
On ne va pas pouvoir remplacer XX par 1x22+x4241 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} car on a :
limx0cos(x)=limx0(1x22+x424+o(x4))=10\lim_{x \longrightarrow 0} \cos(x) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4) \right) = 1 \neq 0
Nous allons donc écrire que :
ecos(x)=e1x22+x424+o(x4)=e1×ex22+x424+o(x4)=e×ex22+x424+o(x4)e^{\cos(x)} = e^{1 - \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)} = e^1 \times e^{- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)} = e \times e^{- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} + o(x^4)}
Mais cette fois, on a bien limx0(x22+x424+o(x4))=0\lim_{x \longrightarrow 0} \left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + o(x^4) \right) = 0 . Dans la relation eX=1+X+X22+X36+X424+o(X4)e^X = 1 + X + \dfrac{X^2}{2} + \dfrac{X^3}{6} + \dfrac{X^4}{24} + o(X^4) on va donc pouvoir remplacer XX par x22+x424- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24}. On a alors :
e(x22+x424)=1+(x22+x424)+(x22+x424)22+(x22+x424)36+(x22+x424)424+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 + \left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right) + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^2}{2} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^3}{6} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^4}{24} + o(X^4)
On développe, en ne conservant que les termes de degré inférieur ou égal à quatre, pour obtenir :
e(x22+x424)=1+(x22+x424)+(x22+x424)22+(x22+x424)36+(x22+x424)424+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 + \left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right) + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^2}{2} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^3}{6} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} \right)^4}{24} + o(X^4)
Donc :
e(x22+x424)=1x22+x424+(x22)22+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + \dfrac{\left(- \dfrac{x^2}{2} \right)^2}{2} + o(X^4)
Ce qui nous donne :
e(x22+x424)=1x22+x424+x48+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + \dfrac{x^4}{8} + o(X^4)
Ou encore :
e(x22+x424)=1x22+x424+3x424+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{24} + \dfrac{3x^4}{24} + o(X^4)
Donc :
e(x22+x424)=1x22+4x424+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{4x^4}{24} + o(X^4)
On obtient alors :
e(x22+x424)=1x22+4x44×6+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{4x^4}{4\times6} + o(X^4)
En simplifiant :
e(x22+x424)=1x22+x46+o(X4)e^{\left(- \frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} \right)} = 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{6} + o(X^4)
De ceci, on en déduit que :
ecos(x)=e×(1x22+x46+o(X4))e^{\cos(x)} = e \times \left( 1 - \dfrac{x^2}{2} + \dfrac{x^4}{6} + o(X^4) \right)
Finalement :
ecos(x)=ee2x2+e6x4+o(x4){\color{red}{\boxed{e^{\cos(x)} = e - \dfrac{e}{2}x^2 + \dfrac{e}{6} x^4 + o(x^4) }}}
Question 4

Donner un D.L. à l'ordre 4, au voisinage de 00, de f(x)=esin(x)f(x) = e^{\sin(x)}.

Correction
On a :
sin(x)=xx36+o(x4)\sin(x) = x - \dfrac{x^3}{6} + o(x^4)
et
eX=1+X+X22+X36+X424+o(X4)e^X = 1 + X + \dfrac{X^2}{2} + \dfrac{X^3}{6} + \dfrac{X^4}{24} + o(X^4)
On va pouvoir remplacer XX par xx36 x - \dfrac{x^3}{6} car on a :
limx0sin(x)=limx0(xx36+o(x4))=0\lim_{x \longrightarrow 0} \sin(x) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( x - \dfrac{x^3}{6} + o(x^4) \right) = 0
Ainsi, il est possible d'écrire :
esin(x)=1+(xx36)+(xx36)22+(xx36)36+(xx36)424+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + \left( x - \dfrac{x^3}{6} \right) + \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)^2}{2} + \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)^3}{6} + \dfrac{\left( x - \dfrac{x^3}{6} \right)^4}{24} + o(x^4)
On développe, en ne conservant que les termes de degré inférieur ou égal à quatre, pour obtenir :
esin(x)=1+xx36+x22xx362+x36+x424+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x - \dfrac{x^3}{6} + \dfrac{x^2 - 2x\dfrac{x^3}{6}}{2} + \dfrac{ x^3 }{6} + \dfrac{ x^4 }{24} + o(x^4)
Soit :
esin(x)=1+xx36+x22x46+x36+x424+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x - \dfrac{x^3}{6} + \dfrac{x^2}{2} - \dfrac{x^4}{6} + \dfrac{ x^3 }{6} + \dfrac{ x^4 }{24} + o(x^4)
D'où :
esin(x)=1+x+x22(16124)x4+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x + \dfrac{x^2}{2} - \left( \dfrac{1}{6} - \dfrac{1}{24} \right)x^4 + o(x^4)
Ce qui nous donne :
esin(x)=1+x+x222466×24x4+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x + \dfrac{x^2}{2} - \dfrac{24-6}{6 \times 24} x^4 + o(x^4)
Ainsi :
esin(x)=1+x+x2218144x4+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x + \dfrac{x^2}{2} - \dfrac{18}{144} x^4 + o(x^4)
Ce qui s'écrit également :
esin(x)=1+x+x221818×8x4+o(x4)e^{\sin(x)} = 1 + x + \dfrac{x^2}{2} - \dfrac{18}{18\times8} x^4 + o(x^4)
Finalement :
esin(x)=1+x+x22x48x4+o(x4){\color{red}{\boxed{e^{\sin(x)} = 1 + x + \dfrac{x^2}{2} - \dfrac{x^4}{8} x^4 + o(x^4) }}}
Question 5

Donner un D.L. à l'ordre 3, au voisinage de 00, de f(x)=(1+x)1+x3f(x) = (1+x)\sqrt[3]{1+x}.

Correction
On a :
f(x)=(1+x)1+x3=(1+x)1×(1+x)13=(1+x)1+13=(1+x)43f(x) = (1+x)\sqrt[3]{1+x} = (1+x)^1 \times (1+x)^{\frac{1}{3}} = (1+x)^{1+\frac{1}{3}} = (1+x)^{\frac{4}{3}}
0r, on a :
(1+x)a=1+ax+a(a1)2x2+a(a1)(a2)6x3+o(x3)(1+x)^a = 1+ax+\dfrac{a(a-1)}{2}x^2+\dfrac{a(a-1)(a-2)}{6}x^3 + o(x^3)
Posons a=43a = \dfrac{4}{3}. On a alors :
a(a1)2=29\bullet \,\, \dfrac{a(a-1)}{2} = \dfrac{2}{9}
a(a1)(a2)6=481\bullet \bullet \,\, \dfrac{a(a-1)(a-2)}{6} = -\dfrac{4}{81}
Finalement :
f(x)=(1+x)1+x3=1+43x+29x2481x3+o(x3){\color{red}{\boxed{f(x) = (1+x)\sqrt[3]{1+x} = 1 + \dfrac{4}{3}x + \dfrac{2}{9}x^2 -\dfrac{4}{81}x^3 + o(x^3) }}}