A la limite du possible ! - Exercice 1

30 min
50
Patience et logique sont bien souvent les sources de la réussie.
Question 1
Soit tt un nombre réel tel que 0<t⩽20 < t \leqslant 2.
On pose ℓ=lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt\ell = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt.

Déterminer la valeur de ℓ\ell.

Correction
Notons par II l'intervalle ]0 ; 2]\left] 0 \,;\, 2 \right].
Sur cet intervalle la fonction t⟼ttan⁡2(t) t \longmapsto \dfrac{t}{\tan^2(t)} est continue, et donc la limite lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt\lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt existe bien.
On a :
∫x3xttan⁡2(t) dt=∫x3xtcos⁡2(t)sin⁡2(t) dt=∫x3xt(1−sin⁡2(t))sin⁡2(t) dt=∫x3xt−tsin⁡2(t))sin⁡2(t) dt\int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} \dfrac{t \cos^2(t)}{\sin^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} \dfrac{t \big( 1 - \sin^2(t) \big)}{\sin^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} \dfrac{t - t\sin^2(t) \big)}{\sin^2(t)} \, dt
Ce qui nous donne :
∫x3xttan⁡2(t) dt=∫x3x(tsin⁡2(t)−tsin⁡2(t)sin⁡2(t)) dt=∫x3x(tsin⁡2(t)−t) dt\int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} \left( \dfrac{t}{\sin^2(t)} - \dfrac{ t\sin^2(t)}{\sin^2(t)} \right) \, dt = \int_x^{3x} \left( \dfrac{t}{\sin^2(t)} - t \right) \, dt
Par linéarité :
∫x3xttan⁡2(t) dt=∫x3xtsin⁡2(t) dt−∫x3xt dt\int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} \dfrac{t}{\sin^2(t)} \, dt - \int_x^{3x} t \, dt
Avec :
∫x3xt dt=[t22]x3x=(3x)22−x22=9x22−x22=9x2−x22=8x22=4x2\int_x^{3x} t \, dt = \left[ \dfrac{t^2}{2} \right]_x^{3x} = \dfrac{(3x)^2}{2} - \dfrac{x^2}{2} = \dfrac{9x^2}{2} - \dfrac{x^2}{2} = \dfrac{9x^2 - x^2}{2} = \dfrac{8x^2}{2} = 4x^2
Puis, à l'aide d'une intégration par parties, et en se souvenant que (−1tan⁡(t))′=1sin⁡2(t)\left( -\dfrac{1}{\tan(t)}\right)' = \dfrac{1}{\sin^2(t)}, on a :
∫x3xtsin⁡2(t) dt=∫x3xt×1sin⁡2(t) dt=[t×(−1tan⁡(t))]x3x−∫x3x1×−1tan⁡(t) dt\int_x^{3x} \dfrac{t}{\sin^2(t)} \, dt = \int_x^{3x} t \times \dfrac{1}{\sin^2(t)} \, dt = \left[ t \times \left( -\dfrac{1}{\tan(t)}\right) \right]_x^{3x} - \int_x^{3x} 1 \times \dfrac{-1}{\tan(t)} \, dt
Soit :
∫x3xtsin⁡2(t) dt=[−ttan⁡(t)]x3x+∫x3x1tan⁡(t) dt=[ttan⁡(t)]3xx+∫x3xcos⁡(t)sin⁡(t) dt\int_x^{3x} \dfrac{t}{\sin^2(t)} \, dt = \left[ -\dfrac{t}{\tan(t)} \right]_x^{3x} + \int_x^{3x} \dfrac{1}{\tan(t)} \, dt = \left[ \dfrac{t}{\tan(t)} \right]_{3x}^{x} + \int_x^{3x} \dfrac{\cos(t)}{\sin(t)} \, dt
Soit encore :
∫x3xtsin⁡2(t) dt=xtan⁡(x)−3xtan⁡(3x)+∫x3x(sin⁡(t))′sin⁡(t) dt=xtan⁡(x)−3xtan⁡(3x)+[ln⁡(∣sin⁡(t)∣)]x3x\int_x^{3x} \dfrac{t}{\sin^2(t)} \, dt = \dfrac{x}{\tan(x)} - \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \int_x^{3x} \dfrac{\big(\sin(t)\big)'}{\sin(t)} \, dt = \dfrac{x}{\tan(x)} - \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \left[ \ln \left( | \sin(t)| \right) \right]_x^{3x}
Avec :
[ln⁡(∣sin⁡(t)∣)]x3x=ln⁡(∣sin⁡(3x)∣)−ln⁡(∣sin⁡(x)∣)=ln⁡(∣sin⁡(3x)∣∣sin⁡(x)∣)=ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)\left[ \ln \left( | \sin(t)| \right) \right]_x^{3x} = \ln \left( | \sin(3x)| \right) - \ln \left( | \sin(x)| \right) = \ln \left( \dfrac{| \sin(3x)|}{| \sin(x)|} \right) = \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right)
Donc :
∫x3xtsin⁡2(t) dt=xtan⁡(x)−3xtan⁡(3x)+ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)\int_x^{3x} \dfrac{t}{\sin^2(t)} \, dt = \dfrac{x}{\tan(x)} - \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right)
Ainsi, on a :
∫x3xttan⁡2(t) dt=xtan⁡(x)−3xtan⁡(3x)+ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)−4x2\int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \dfrac{x}{\tan(x)} - \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right) - 4x^2
D'où :
lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt=lim⁡x ⟶ 0(xtan⁡(x)−3xtan⁡(3x)+ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)−4x2)\lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \left( \dfrac{x}{\tan(x)} - \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right) - 4x^2 \right)
Ce qui nous donne :
lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt=lim⁡x ⟶ 0xtan⁡(x)−lim⁡x ⟶ 03xtan⁡(3x)+lim⁡x ⟶ 0ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)−lim⁡x ⟶ 04x2\lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{x}{\tan(x)} - \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{3x}{\tan(3x)} + \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right) - \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} 4x^2
Et on a, puisque x ⟶ 0x \, \longrightarrow \, 0, tan⁡(x)∼0x\tan(x) \underset{0}{\sim} x ainsi que sin⁡(x)∼0x\sin(x) \underset{0}{\sim} x :
∙  lim⁡x ⟶ 0xtan⁡(x)=lim⁡x ⟶ 0xx=lim⁡x ⟶ 011=lim⁡x ⟶ 01=1\bullet \,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{x}{\tan(x)} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{x}{x} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{1}{1} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} 1 = 1
∙∙  lim⁡x ⟶ 03xtan⁡(3x)=lim⁡x ⟶ 03x3x=lim⁡x ⟶ 0xx=lim⁡x ⟶ 011=lim⁡x ⟶ 01=1\bullet \bullet \,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{3x}{\tan(3x)} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{3x}{3x} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{x}{x} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \dfrac{1}{1} = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} 1 = 1
∙∙∙  lim⁡x ⟶ 0ln⁡(∣sin⁡(3x)sin⁡(x)∣)=lim⁡x ⟶ 0ln⁡(∣3xx∣)=lim⁡x ⟶ 0ln⁡(∣3∣)=lim⁡x ⟶ 0ln⁡(3)=ln⁡(3)\bullet \bullet \bullet \,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \ln \left( \left| \dfrac{ \sin(3x)}{\sin(x)} \right|\right) = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \ln \left( \left| \dfrac{3x}{x} \right|\right) = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \ln \left( \left| 3 \right|\right) = \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \ln \left( 3 \right) = \ln \left( 3 \right)
∙∙∙∙  lim⁡x ⟶ 04x2=4lim⁡x ⟶ 0x2=0\bullet \bullet \bullet \bullet \,\, \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} 4x^2 = 4 \lim_{x \, \longrightarrow \, 0} x^2 = 0
Ce qui nous donne :
lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt=1−1+ln⁡(3)−0\lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = 1 - 1 + \ln \left( 3 \right) - 0
Finalement, on obtient :
lim⁡x ⟶ 0∫x3xttan⁡2(t) dt=ln⁡(3)\lim_{x \, \longrightarrow \, 0} \int_x^{3x} \dfrac{t}{\tan^2(t)} \, dt = \ln \left( 3 \right)

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.