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Séries numériques

Exercice 13 - Exercice 1

40 min
65
Pour développer les bons réflexes.
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul.
On rappelle un célèbre résultat (l'intégrale de GaussGauss) :limB+0BeX2dX=π2 \lim_{B \longrightarrow + \infty} \int_0^{B} e^{-X^2} dX = \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}

Étudier la nature de la série numérique S=n=1+((1)n0nen2x2dx)S = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( (-1)^n \int_0^n e^{-n^2x^2} dx \right)

Correction
Nous allons faire usage du théorème spécial des séries alternées.
A cet usage, posons un=(1)n0nen2x2dxu_n = (-1)^n \int_0^n e^{-n^2x^2} dx . Ainsi un=0nen2x2dx |u_n| = \int_0^n e^{-n^2x^2} dx puisque, par positivité de l'expression en2x2e^{-n^2x^2} sur l'intervalle [0;n][0 \,;\, n], l'intégrale 0nen2x2dx\int_0^n e^{-n^2x^2} dx est positive.
Effectuons le changement de variable u=nxu = nx, dans ce cas on a dudx=ddx(nx)=nddx(x)=n×1=n\dfrac{du}{dx} = \dfrac{d}{dx}(nx) = n \dfrac{d}{dx}(x) = n \times 1 = n. Ceci implique que du=ndxdu = n \, dx ou encore dx=1ndudx = \dfrac{1}{n} du. De plus, lorsque x=0x=0 on a u=0u=0 et lorsque x=nx=n on a u=n2u=n^2. De fait, on a :
0nen2x2dx=0ne(nx)2dx=0n2eu21ndu=1n0n2eu2du\int_0^n e^{-n^2x^2} dx = \int_0^n e^{-(nx)^2} dx = \int_0^{n^2} e^{-u^2} \dfrac{1}{n} du = \dfrac{1}{n} \int_0^{n^2} e^{-u^2} du
Or, on a :
00n2eu2dulimB+0Beu2du0 \leqslant \int_0^{n^2} e^{-u^2} du \leqslant \lim_{B \longrightarrow + \infty} \int_0^{B} e^{-u^2} du
Ce qui nous donne, en reconnaissant l'intégrale de GaussGauss, l'inégalité suivante :
00n2eu2duπ20 \leqslant \int_0^{n^2} e^{-u^2} du \leqslant \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}
Ainsi, on en déduit que :
un=0nen2x2dxπ2n |u_n| = \int_0^n e^{-n^2x^2} dx \leqslant \dfrac{\sqrt{\pi}}{2n}
Par passage à la limite lorsque n+n \longrightarrow + \infty, on obtient :
limn+unlimn+π2n\lim_{n \longrightarrow + \infty} |u_n| \leqslant \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{\sqrt{\pi}}{2n}
Et comme limn+π2n=0+\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{\sqrt{\pi}}{2n} = 0^+ on en déduit alors que :
limn+un=0+\lim_{n \longrightarrow + \infty} |u_n| = 0^+
Il nous faut maintenant démontrer la décroissance éventuelle de la suite (un)nN(|u_n|)_{n \in \mathbb{N}^\star}.
On a :
un=1n0n2eu2du=f(n) |u_n| = \dfrac{1}{n} \int_0^{n^2} e^{-u^2} du = f(n)
avec, pour xx non nul :
f(x)=1x0x2eu2duf(x) = \dfrac{1}{x} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du
En dérivant par rapport à xx, on obtient :
f(x)=(1x×0x2eu2du)=(1x)×0x2eu2du+1x×(0x2eu2du)f'(x) = \left( \dfrac{1}{x} \times \int_0^{x^2} e^{-u^2} du \right)' = \left( \dfrac{1}{x} \right)' \times \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \times\left( \int_0^{x^2} e^{-u^2} du \right)'
Ce qui nous donne :
f(x)=1x2×0x2eu2du+1x×(0x2eu2du)f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \times \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \times\left( \int_0^{x^2} e^{-u^2} du \right)'
Puis, en notant par E(u)E(u) l'expression associée à une primitive de eu2e^{-u^2} on a :
f(x)=1x2×0x2eu2du+1x×([E(u)]0x2)f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \times \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \times\left( \left[ E (u) \right]_0^{x^2} \right)'
On a alors :
f(x)=1x20x2eu2du+1x(E(x2)E(0))f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \left(E (x^2) - E(0) \right)'
Comme la dérivation est une opération linéaire, on a alors :
f(x)=1x20x2eu2du+1x((E(x2))(E(0)))f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \left( \left(E (x^2)\right)' - \left(E(0) \right)' \right)
Comme E(0)E(0) est une quantité constante réelle, sa dérivée est nulle : (E(0))=0\left(E(0) \right)' = 0. On a alors :
f(x)=1x20x2eu2du+1x(E(x2))f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} \left(E (x^2)\right)'
Par dérivation composée, on a :
(E(x2))=E(x2)×(x2)=ex22×2x=ex4×2x=2xex4\left(E (x^2)\right)' = E'(x^2) \times (x^2)' = e^{-{x^2}^2} \times 2x = e^{-x^4} \times 2x = 2x \, e^{-x^4}
On en déduit alors que :
f(x)=1x20x2eu2du+1x2xex4f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} 2x \, e^{-x^4}
Soit encore :
f(x)=1x20x2eu2du+1x2xex4f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du + \dfrac{1}{x} 2x \, e^{-x^4}
Comme xx est non nul, on a alors :
f(x)=1x2(0x2eu2du2x2ex4)f'(x) = - \dfrac{1}{x^2} \left( \int_0^{x^2} e^{-u^2} du - 2x^2 \, e^{-x^4} \right)
A l'aide des croissances comparées, on a :
limx+f(x)=limx+(0x2eu2du2x2ex4)=limx+0x2eu2du=π2\lim_{x \longrightarrow + \infty} f'(x) = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \left( \int_0^{x^2} e^{-u^2} du - 2x^2 \, e^{-x^4} \right) = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \int_0^{x^2} e^{-u^2} du = \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}
De fait, on trouve un équivalent de f(x)f'(x) lorsque x+x \longrightarrow + \infty qui est :
f(x)x+1x2π2<0f'(x) \underset{x \longrightarrow + \infty}{\sim} - \dfrac{1}{x^2} \dfrac{\sqrt{\pi}}{2} <0
Ce qui nous permet d'afformer qu'il existe un certain nombre réel, non nul, rr tel que :
x[r; +[,f(x)<0\forall x \in [r \,;\ + \infty[, f'(x) < 0
En conséquence la fonction ff est décroissante sur l'intervalle [r; +[[r \,;\ + \infty[.
Il s'ensuit que la suite (un)n>Ent(r)+1(|u_n|)_{n > \mathrm{Ent}(r)+1} (l'expression Ent\mathrm{Ent} désigne la partie entière) est monotone et décroissante.
On peut donc affirmer que la série numérique S=n=1+((1)n0nen2x2dx)S = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( (-1)^n \int_0^n e^{-n^2x^2} dx \right) satisfait aux hypothèses du théorème spécial des séries alternées.
Finalement, la série numérique S=n=1+((1)n0nen2x2dx)S = \sum_{n=1}^{+\infty} \left( (-1)^n \int_0^n e^{-n^2x^2} dx \right) est de nature convergente.