Calcul intégral

Exercices types : 11ère partie - Exercice 2

20 min
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Question 1
Soit nn un entier naturel nn. on définit la suite (un)\left(u_{n}\right) par : un=01tncos(t)dtu_{n} =\int _{0}^{1}t^{n} \cos \left(t\right)dt

Montrer, que pour tout entier naturel nn, la suite (un)\left(u_{n}\right) est minorée par 00.

Correction
Positivité de l'intégrale.
Soit ff une fonction continue sur un intervalle [a;b]\left[a;b\right].
  • Si f(x)0f\left(x\right)\ge 0 sur [a;b]\left[a;b\right] alors abf(x)dx0\int _{a}^{b}f\left(x\right) dx\ge 0
Soit nn un entier naturel.
Soit t[0;1]t\in\left[0;1\right], il en résulte donc que cos(t)0\cos \left(t\right)\ge0 et tn0t^{n}\ge0. Il vient alors que , pour tout t[0;1]t\in\left[0;1\right], on a : tncos(t)0t^{n} \cos \left(t\right)\ge0.
D'après le rappel, nous pouvons écrire que :
01tncos(t)dt0\int _{0}^{1}t^{n} \cos \left(t\right)dt\ge0 autrement dit : un0u_{n}\ge0.
Pour tout entier naturel nn, la suite (un)\left(u_{n}\right) est minorée par 00.
Question 2

Étudier le sens de variation de la suite (un)\left(u_{n}\right).

Correction
Comme un=01tncos(t)dtu_{n} =\int _{0}^{1}t^{n} \cos \left(t\right)dt alors un+1=01tn+1cos(t)dtu_{n+1} =\int _{0}^{1}t^{n+1} \cos \left(t\right)dt.
Ainsi :
un+1un=01tn+1cos(t)dt01tncos(t)dtu_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}t^{n+1} \cos \left(t\right)dt -\int _{0}^{1}t^{n} \cos \left(t\right)dt
un+1un=01(tn+1cos(t)tncos(t))dtu_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}\left(t^{n+1} \cos \left(t\right)-t^{n} \cos \left(t\right)\right)dt
un+1un=01(t×tncos(t)tncos(t))dtu_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}\left(t\times t^{n} \cos \left(t\right)-t^{n} \cos \left(t\right)\right)dt car : tn+1=t×tnt^{n+1}=t\times t^{n}
un+1un=01(tncos(t)×(t1))dtu_{n+1} -u_{n} =\int _{0}^{1}\left(t^{n} \cos \left(t\right)\times \left(t-1\right)\right)dt . Nous avons ici factorisé par tncos(t)t^{n} \cos \left(t\right) .
Il nous faut donc maintenant étudier le signe de : tncos(t)×(t1)t^{n} \cos \left(t\right)\times \left(t-1\right).
Soit t[0;1]t\in\left[0;1\right], il en résulte donc que cos(t)0\cos \left(t\right)\ge0 et tn0t^{n}\ge0.
De plus : 0t10\le t\le 1 et donc 1t10-1\le t-1\le 0 . Ainsi t10t-1\le 0 .
On peut conclure que : tncos(t)×(t1)0t^{n} \cos \left(t\right)\times \left(t-1\right)\le0 lorsque t[0;1]t\in\left[0;1\right].
D'après la positivité de l'intégrale, on a alors : 01(tncos(t)×(t1))dt0\int _{0}^{1}\left(t^{n} \cos \left(t\right)\times \left(t-1\right)\right)dt\le0 .
Finalement : un+1un0u_{n+1} -u_{n}\le0.
La suite (un)\left(u_{n}\right) est donc décroissante.
Question 3

Que peut-on en déduire pour la suite (un)\left(u_{n}\right).

Correction
  • Une suite décroissante et minorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
  • Une suite croissante et majorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
La suite (un)\left(u_{n}\right) est minorée par 00 et décroissante donc la suite (un)\left(u_{n}\right) est convergente.