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Vers la Prépa (4) - Exercice 1

30 min
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Comme bien souvent, en Mathématiques, l'observation est un élément essentielle dans la phase préliminaire.
Question 1
Calculer, si cela vous est possible, la valeur exacte de l'intégrale I\mathcal{I} suivante :

I=01xxxxxxdx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x}}}}}} \, dx

Correction
On a :
I=01xxxxxxdx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x\sqrt{x}}}}}} \, dx
Or, pour X0X \geqslant 0, on sait que X=X12\sqrt{X} = X^\frac{1}{2}. Ce qui va nous donner :
I=01(x(x(x(x(x(x)12)12)12)12)12)12dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x\left(x\left(x\left(x\left( x \right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx
Mais, on a XX12=X1X12=X1+12=X32XX^\frac{1}{2} =X^1X^\frac{1}{2} =X^{1+\frac{1}{2}}= X^\frac{3}{2} Ce qui va nous permettre d'écrire que :
I=01<br/>(x(x(x(x(x32)12)12)12)12)12dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} <br />\left(x\left(x\left(x\left(x\left(x^\frac{3}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx
Soit encore :
I=01(x(x(x(xx34)12)12)12)12dxI=01(x(x(x(x74)12)12)12)12dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x\left(x\left(xx^\frac{3}{4} \right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x\left(x\left(x^\frac{7}{4} \right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx
Donc, on obtient :
I=01(x(x(xx78)12)12)12dxI=01(x(x(x158)12)12)12dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x\left(xx^\frac{7}{8}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x\left(x^\frac{15}{8}\right)^\frac{1}{2}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx
C'est-à-dire :
I=01(x(xx1516)12)12dxI=01(x(x3116)12)12dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x x^\frac{15}{16}\right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x\left(x^\frac{31}{16} \right)^\frac{1}{2} \right)^\frac{1}{2} \, dx
Dès lors, on trouve que :
I=01(xx3132)12dxI=01(x6332)12dxI=01x6364dx\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x x^\frac{31}{32}\right)^\frac{1}{2} \, dx\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\mathcal{I} = \int_{0}^{1} \left(x^\frac{63}{32}\right)^\frac{1}{2} \, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{0}^{1} x^\frac{63}{64} \, dx
En intégrant, on obtient alors :
I=[x6364+16364+1]01I=[x1276412764]01I=64127[x12764]01\mathcal{I} = \left[ \dfrac{x^{\frac{63}{64}+1}}{\dfrac{63}{64}+1}\right]_{0}^{1} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \left[ \dfrac{x^{\frac{127}{64}}}{\dfrac{127}{64}}\right]_{0}^{1}\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \dfrac{64}{127} \left[ x^{\frac{127}{64}} \right]_{0}^{1}
Finalement :
I=64127u.a.\boxed{\mathcal{I} = \dfrac{64}{127} \, u.a.}