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

Sujet 4 - Exercice 1

50 min
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Un exercice très sympathique !
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul.
On pose :
un=(k=1n1+kn)sin(2π1+n2)u_n = \left( \prod_{k=1}^n \sqrt{1 + \dfrac{k}{n}} \right)^{\sin(2\pi\sqrt{1+n^2}) }

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

Correction
La présence de ma puissance sin(2π1+n2)\sin(2\pi\sqrt{1+n^2}) qui ne dépend pas de l'indice de sommation kk nous suggère l'introduire ln(un)\ln(u_n). On a alors :
ln(un)=ln((k=1n1+kn)sin(2π1+n2))=sin(2π1+n2)ln(k=1n1+kn)\ln(u_n) = \ln\left( \left( \prod_{k=1}^n \sqrt{1 + \dfrac{k}{n}} \right)^{\sin(2\pi\sqrt{1+n^2}) } \right) = \sin(2\pi\sqrt{1+n^2})\ln\left( \prod_{k=1}^n \sqrt{1 + \dfrac{k}{n}} \right)
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme, on obtient :
ln(un)=sin(2π1+n2)(k=1nln(1+kn))=sin(2π1+n2)(k=1nln((1+kn)12))\ln(u_n) = \sin(2\pi\sqrt{1+n^2}) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( \sqrt{1 + \dfrac{k}{n}} \right) \right) = \sin(2\pi\sqrt{1+n^2}) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( \left(1 + \dfrac{k}{n} \right)^{\frac{1}{2}} \right) \right)
Ce qui nous donne :
ln(un)=12sin(2π1+n2)(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) = \dfrac{1}{2} \sin\left(2\pi\sqrt{1+n^2}\right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Soit encore, puisque n>0n > 0 :
ln(un)=12sin(2πn1n2+1)(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) = \dfrac{1}{2} \sin\left( 2\pi n\sqrt{\dfrac{1}{n^2} + 1} \right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Lorsque n+n \longrightarrow + \infty, on a :
1n2+1+1+12n2\sqrt{\dfrac{1}{n^2} + 1} \underset{+\infty}{\sim} 1 + \dfrac{1}{2n^2}
Donc :
ln(un)+12sin(2πn(1+12n2))(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{2} \sin\left(2\pi n \left( 1 + \dfrac{1}{2n^2} \right) \right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
D'où :
ln(un)+12sin(2πn2n2+n2π)(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{2} \sin\left( \dfrac{2\pi n}{2n^2} + n2\pi \right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Comme la fonction sinus est 2π2\pi-périodique, on en déduit immédiatement que :
ln(un)+12sin(2πn2n2)(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{2} \sin\left( \dfrac{2\pi n}{2n^2} \right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Soit, en simplifiant :
ln(un)+12sin(πn)(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{2} \sin\left( \dfrac{\pi}{n} \right) \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Puis, on sait également que sin(x)0x\sin(x) \underset{0}{\sim} x, donc sin(πn)+πn\sin\left( \dfrac{\pi}{n} \right) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{n}. Ainsi, on obtient :
ln(un)+12πn(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{1}{2} \dfrac{\pi}{n} \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Soit :
ln(un)+π21n(k=1nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \dfrac{1}{n} \left( \sum_{k=1}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Comme ln(1)=ln(1+0)=0\ln(1) = \ln(1 + 0) = 0, qui correspondrait au cas k=0k=0, on peut donc écrire que :
ln(un)+π21n(k=0nln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \dfrac{1}{n} \left( \sum_{k=0}^n\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Et lorsque k=nk=n on a ln(1+kn)=ln(1+nn)=ln(1+1)=ln(2)\ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) = \ln\left( 1 + \dfrac{n}{n} \right) = \ln\left( 1 + 1 \right) = \ln(2). Ceci nous permet d'écrire que :
ln(un)+π21n(ln(2)+k=0n1ln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \dfrac{1}{n} \left( \ln(2) + \sum_{k=0}^{n-1} \ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Donc :
ln(un)+π2(1nln(2)+1nk=0n1ln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \left( \dfrac{1}{n}\ln(2) + \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Cependant, on a :
limn+(1nln(2))=ln(2)limn+1n=ln(2)×0=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n}\ln(2) \right) = \ln(2) \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n} = \ln(2) \times 0 = 0. D'où l'écriture suivante :
ln(un)+π2(0+1nk=0n1ln(1+kn))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \left( 0 + \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln\left( 1 + \dfrac{k}{n} \right) \right)
Ou bien encore :
ln(un)+π2(1nk=0n1ln(1+0+k10n))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \left( \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln\left( 1 + {\color{blue}{0}} + k\dfrac{ {\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}} }{n} \right) \right)
Posons f:x[0;1]ln(1+x)f : x \in [ {\color{blue}{0}} \,;\, {\color{red}{1}} ] \longrightarrow \ln(1+x). Ainsi on a :
ln(un)+π2(1nk=0n1f(0+k10n))\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \left( \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + k\dfrac{ {\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}} }{n} \right) \right)
La fonction f:x[0;1]ln(1+x)f : x \in [ {\color{blue}{0}} \,;\, {\color{red}{1}} ] \longrightarrow \ln(1+x), précédemment introduite est continue. Donc il est possible d'introduire une somme de RiemannRiemann. En effet, on a :
1nk=0n1f(0+k10n)=11001f(x)dx=01f(x)dx=01ln(1+x)dx\dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + k\dfrac{ {\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}} }{n} \right) = \dfrac{1}{{\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}} } \int_{{\color{blue}{0}}}^{{\color{red}{1}}} f(x) \, dx = \int_{{\color{blue}{0}}}^{{\color{red}{1}}} f(x) \, dx = \int_{{\color{blue}{0}}}^{{\color{red}{1}}} \ln(1+x) \, dx
Posons t=1+xt=1+x, ainsi dtdx=ddx(1+x)=1\dfrac{dt}{dx} = \dfrac{d}{dx}(1+x)=1, ce qui implique que dt=dxdt = dx. De plus, lorsque x=0x={\color{blue}{0}} on a t=1t = 1 et, lorsque x=1x={\color{red}{1}} on a t=2t = 2. Ainsi :
01ln(1+x)dx=12ln(t)dt=[tln(t)t]12=2ln(2)21ln(1)+1=2ln(2)20+1=2ln(2)1\int_{{\color{blue}{0}}}^{{\color{red}{1}}} \ln(1+x) \, dx = \int_1^2 \ln(t) \, dt = [t\ln(t) - t]_1^2 = 2\ln(2) - 2 - 1\ln(1) + 1 = 2\ln(2) - 2 - 0 + 1 = 2\ln(2) - 1
Soit encore :
01ln(1+x)dx=ln(22)ln(e1)=ln(4)ln(e)=ln(4e)\int_{{\color{blue}{0}}}^{{\color{red}{1}}} \ln(1+x) \, dx = \ln(2^2) - \ln(e^1) = \ln(4) - \ln(e) = \ln \left( \dfrac{4}{e} \right)
Donc :
ln(un)+π2×ln(4e)\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{\pi}{2} \times \ln \left( \dfrac{4}{e} \right)
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme, on obtient :
ln(un)+ln((4e)π2)\ln(u_n) \underset{+\infty}{\sim} \ln \left( \left(\dfrac{4}{e} \right)^{\frac{\pi}{2}} \right)
Ce qui implique que :
un+(4e)π2u_n \underset{+\infty}{\sim} \left(\dfrac{4}{e} \right)^{\frac{\pi}{2}}
On peut donc écrire que :
limn+un=(4e)π2\lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n = \left(\dfrac{4}{e} \right)^{\frac{\pi}{2}}
Finalement, on en déduit que :
=(4e)π2\ell = \left(\dfrac{4}{e} \right)^{\frac{\pi}{2}}