Limite de suite, intégrale et somme de Riemann - Exercice 1
30 min
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Un classique à bien maîtriser.
Question 1
Soit n un nombre entier naturel non nul. On pose : un=k=n∑2n−12k+11
Déterminer, si elle existe, la limite ℓ=n⟶+∞limun
Correction
On a un=k=n∑2n−12k+11. Afin de débuter la sommation à 0, posons k−n=p. Ainsi k=p+n et p va de 0 à n−1. Donc : un=k=n∑2n−12k+11=p=0∑n−12(p+n)+11=p=0∑n−12p+2n+11 Puis on l'encadrement, du terme 2p+2n+11, suivant : 2p+2n+21⩽2p+2n+11⩽2p+2n1 Ce qui s'écrit aussi comme : 21p+n+11⩽2p+2n+11⩽21p+n1 On en déduit donc que : 21p=0∑n−1p+n+11⩽p=0∑n−12p+2n+11⩽21p=0∑n−1p+n1 De plus, pour la somme p=0∑n−1p+n+11, on peut poser k=p+1 et k va de 1 à n. Ainsi : 21k=1∑nk+n1⩽p=0∑n−12p+2n+11⩽21p=0∑n−1p+n1 Comme l'indice k est un indice muet de sommation, on peut le remplacer par p, ce qui nous donne : 21p=1∑np+n1⩽p=0∑n−12p+2n+11⩽21p=0∑n−1p+n1 Avec : p=0∑n−1p+n1=n1p=0∑n−11+np1 On pose alors f:x⟶x1. D'où : p=0∑n−1p+n1=n1p=0∑n−11+np1=n1p=0∑n−1f(1+np)=n1p=0∑n−1f(1+pn2−1) Puis : p=1∑np+n1=−n1+p=0∑np+n1=2n1−n1+p=0∑n−1p+n1=−2n1+p=0∑n−1p+n1 Ce qui nous permet d'avoir : p=1∑np+n1=−2n1+n1p=0∑n−1f(1+pn2−1) On a alors l'encadrement suivant : 21(−2n1+n1p=0∑n−1f(1+pn2−1))⩽p=0∑n−12p+2n+11⩽21n1p=0∑n−1f(1+pn2−1) Soit : −4n1+21n1p=0∑n−1f(1+pn2−1)⩽p=0∑n−12p+2n+11⩽21n1p=0∑n−1f(1+pn2−1) Par passage à la limite lorsque n⟶+∞, on obtient : n⟶+∞lim(−4n1+21n1p=0∑n−1f(1+pn2−1))⩽n⟶+∞lim(p=0∑n−12p+2n+11)⩽21n⟶+∞lim(n1p=0∑n−1f(1+pn2−1)) Comme n⟶+∞lim(−4n1)=0 on a donc : 21n⟶+∞lim(n1p=0∑n−1f(1+pn2−1))⩽n⟶+∞lim(p=0∑n−12p+2n+11)⩽21n⟶+∞lim(n1p=0∑n−1f(1+pn2−1)) En faisant appelle à une somme de Reimann, on a : n⟶+∞lim(n1p=0∑n−1f(1+pn2−1))=2−11∫12f(x)dx=∫12x1dx=[ln(x)]12=ln(2)−ln(1)=ln(2)−0 Ainsi, on a : 21ln(2)⩽n⟶+∞lim(p=0∑n−12p+2n+11)⩽21ln(2) Ce qui nous permet d'affirmer que : n⟶+∞lim(p=0∑n−12p+2n+11)=21ln(2) Soit encore : n⟶+∞lim(k=n∑2n−12k+11)=21ln(2) On peut donc écrire ceci comme : n⟶+∞limun=21ln(2) Finalement : ℓ=21ln(2)
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