Soit n un nombre entier naturel non nul. On pose : un=(k=1∏n1+nk)sin(2π1+n2)
Déterminer, si elle existe, la limite ℓ suivante : ℓ=n⟶+∞limun
Correction
La présence de ma puissance sin(2π1+n2) qui ne dépend pas de l'indice de sommation k nous suggère l'introduire ln(un). On a alors : ln(un)=ln⎝⎛(k=1∏n1+nk)sin(2π1+n2)⎠⎞=sin(2π1+n2)ln(k=1∏n1+nk) En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme, on obtient : ln(un)=sin(2π1+n2)(k=1∑nln(1+nk))=sin(2π1+n2)(k=1∑nln((1+nk)21)) Ce qui nous donne : ln(un)=21sin(2π1+n2)(k=1∑nln(1+nk)) Soit encore, puisque n>0 : ln(un)=21sin(2πnn21+1)(k=1∑nln(1+nk)) Lorsque n⟶+∞, on a : n21+1+∞∼1+2n21 Donc : ln(un)+∞∼21sin(2πn(1+2n21))(k=1∑nln(1+nk)) D'où : ln(un)+∞∼21sin(2n22πn+n2π)(k=1∑nln(1+nk)) Comme la fonction sinus est 2π-périodique, on en déduit immédiatement que : ln(un)+∞∼21sin(2n22πn)(k=1∑nln(1+nk)) Soit, en simplifiant : ln(un)+∞∼21sin(nπ)(k=1∑nln(1+nk)) Puis, on sait également que sin(x)0∼x, donc sin(nπ)+∞∼nπ. Ainsi, on obtient : ln(un)+∞∼21nπ(k=1∑nln(1+nk)) Soit : ln(un)+∞∼2πn1(k=1∑nln(1+nk)) Comme ln(1)=ln(1+0)=0, qui correspondrait au cas k=0, on peut donc écrire que : ln(un)+∞∼2πn1(k=0∑nln(1+nk)) Et lorsque k=n on a ln(1+nk)=ln(1+nn)=ln(1+1)=ln(2). Ceci nous permet d'écrire que : ln(un)+∞∼2πn1(ln(2)+k=0∑n−1ln(1+nk)) Donc : ln(un)+∞∼2π(n1ln(2)+n1k=0∑n−1ln(1+nk)) Cependant, on a : n⟶+∞lim(n1ln(2))=ln(2)n⟶+∞limn1=ln(2)×0=0. D'où l'écriture suivante : ln(un)+∞∼2π(0+n1k=0∑n−1ln(1+nk)) Ou bien encore : ln(un)+∞∼2π(n1k=0∑n−1ln(1+0+kn1−0)) Posons f:x∈[0;1]⟶ln(1+x). Ainsi on a : ln(un)+∞∼2π(n1k=0∑n−1f(0+kn1−0)) La fonction f:x∈[0;1]⟶ln(1+x), précédemment introduite est continue. Donc il est possible d'introduire une somme de Riemann. En effet, on a : n1k=0∑n−1f(0+kn1−0)=1−01∫01f(x)dx=∫01f(x)dx=∫01ln(1+x)dx Posons t=1+x, ainsi dxdt=dxd(1+x)=1, ce qui implique que dt=dx. De plus, lorsque x=0 on a t=1 et, lorsque x=1 on a t=2. Ainsi : ∫01ln(1+x)dx=∫12ln(t)dt=[tln(t)−t]12=2ln(2)−2−1ln(1)+1=2ln(2)−2−0+1=2ln(2)−1 Soit encore : ∫01ln(1+x)dx=ln(22)−ln(e1)=ln(4)−ln(e)=ln(e4) Donc : ln(un)+∞∼2π×ln(e4) En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme, on obtient : ln(un)+∞∼ln((e4)2π) Ce qui implique que : un+∞∼(e4)2π On peut donc écrire que : n⟶+∞limun=(e4)2π Finalement, on en déduit que : ℓ=(e4)2π
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