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Intégration <FONT color="red"><b>(il faut avoir étudier au préalable le chapitre Primitives)</b></FONT>

Limite de suite, intégrale et somme de Riemann - Exercice 1

30 min
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Un classique à bien maîtriser.
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul.
On pose :
un=k=n2n112k+1u_n = \sum_{k=n}^{2n-1} \dfrac{1}{2k + 1}

Déterminer, si elle existe, la limite =limn+un\ell = \lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n

Correction
On a un=k=n2n112k+1u_n = \sum_{k=n}^{2n-1} \dfrac{1}{2k + 1}. Afin de débuter la sommation à 00, posons kn=pk - n = p. Ainsi k=p+nk = p + n et pp va de 00 à n1n-1. Donc :
un=k=n2n112k+1=p=0n112(p+n)+1=p=0n112p+2n+1u_n = \sum_{k=n}^{2n-1} \dfrac{1}{2k + 1} = \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2(p+n) + 1} = \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1}
Puis on l'encadrement, du terme 12p+2n+1\dfrac{1}{2p + 2n + 1}, suivant :
12p+2n+212p+2n+112p+2n\dfrac{1}{2p + 2n + 2} \leqslant \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2p + 2n}
Ce qui s'écrit aussi comme :
121p+n+112p+2n+1121p+n\dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p + n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2}\dfrac{1}{p + n}
On en déduit donc que :
12p=0n11p+n+1p=0n112p+2n+112p=0n11p+n\dfrac{1}{2} \sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{1}{p + n + 1} \leqslant \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2} \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{p + n}
De plus, pour la somme p=0n11p+n+1\sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{1}{p + n + 1} , on peut poser k=p+1k = p+1 et kk va de 11 à nn. Ainsi :
12k=1n1k+np=0n112p+2n+112p=0n11p+n\dfrac{1}{2} \sum_{k=1}^{n}\dfrac{1}{k + n} \leqslant \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2} \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{p + n}
Comme l'indice kk est un indice muet de sommation, on peut le remplacer par pp, ce qui nous donne :
12p=1n1p+np=0n112p+2n+112p=0n11p+n\dfrac{1}{2} \sum_{p=1}^{n}\dfrac{1}{p + n} \leqslant \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2} \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{p + n}
Avec :
p=0n11p+n=1np=0n111+pn\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{p + n} = \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{1 + \dfrac{p}{n}}
On pose alors f:x1xf : x \longrightarrow \dfrac{1}{x}. D'où :
p=0n11p+n=1np=0n111+pn=1np=0n1f(1+pn)=1np=0n1f(1+p21n)\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{p + n} = \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{1 + \dfrac{p}{n}} = \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + \dfrac{p}{n} \right) = \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right)
Puis :
p=1n1p+n=1n+p=0n1p+n=12n1n+p=0n11p+n=12n+p=0n11p+n\sum_{p=1}^{n}\dfrac{1}{p + n} = - \dfrac{1}{n} + \sum_{p=0}^{n}\dfrac{1}{p + n} = \dfrac{1}{2n} - \dfrac{1}{n} + \sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{1}{p + n} = - \dfrac{1}{2n} + \sum_{p=0}^{n-1}\dfrac{1}{p + n}
Ce qui nous permet d'avoir :
p=1n1p+n=12n+1np=0n1f(1+p21n)\sum_{p=1}^{n}\dfrac{1}{p + n} = - \dfrac{1}{2n} + \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right)
On a alors l'encadrement suivant :
12(12n+1np=0n1f(1+p21n))p=0n112p+2n+1121np=0n1f(1+p21n)\dfrac{1}{2} \left( - \dfrac{1}{2n} + \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right) \leqslant \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right)
Soit :
14n+121np=0n1f(1+p21n)p=0n112p+2n+1121np=0n1f(1+p21n) - \dfrac{1}{4n} + \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \leqslant \sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \leqslant \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right)
Par passage à la limite lorsque n+n \longrightarrow + \infty, on obtient :
limn+(14n+121np=0n1f(1+p21n))limn+(p=0n112p+2n+1)12limn+(1np=0n1f(1+p21n))\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( - \dfrac{1}{4n} + \dfrac{1}{2} \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right) \leqslant \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left(\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \right) \leqslant \dfrac{1}{2} \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right)
Comme limn+(14n)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( - \dfrac{1}{4n} \right) = 0 on a donc :
12limn+(1np=0n1f(1+p21n))limn+(p=0n112p+2n+1)12limn+(1np=0n1f(1+p21n))\dfrac{1}{2}\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right) \leqslant \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left(\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \right) \leqslant \dfrac{1}{2} \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right)
En faisant appelle à une somme de ReimannReimann, on a :
limn+(1np=0n1f(1+p21n))=12112f(x)dx=121xdx=[ln(x)]12=ln(2)ln(1)=ln(2)0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n} \sum_{p=0}^{n-1} f \left(1 + p\dfrac{2-1}{n} \right) \right) = \dfrac{1}{2-1} \int_1^2 f(x) \, dx = \int_1^2 \dfrac{1}{x} \, dx = \left[ \ln(x)\right]_1^2 = \ln(2) - \ln(1) = \ln(2) - 0
Ainsi, on a :
12ln(2)limn+(p=0n112p+2n+1)12ln(2)\dfrac{1}{2}\ln(2) \leqslant \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left(\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \right) \leqslant \dfrac{1}{2}\ln(2)
Ce qui nous permet d'affirmer que :
limn+(p=0n112p+2n+1)=12ln(2)\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left(\sum_{p=0}^{n-1} \dfrac{1}{2p + 2n + 1} \right) = \dfrac{1}{2}\ln(2)
Soit encore :
limn+(k=n2n112k+1)=12ln(2)\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left(\sum_{k=n}^{2n-1} \dfrac{1}{2k + 1} \right) = \dfrac{1}{2}\ln(2)
On peut donc écrire ceci comme :
limn+un=12ln(2)\lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n = \dfrac{1}{2}\ln(2)
Finalement :
=12ln(2)\ell = \dfrac{1}{2}\ln(2)