Le but de l’exercice est démontrer que l’équation (E) : ex=x1 admet une unique solution dans l’ensemble R des nombres réels, et de construire une suite qui converge vers cette unique solution. On note f la fonction définie sur R par : f(x)=x−e−x
Démontrer que si x est solution de l’équation (E) alors f(x)=0 .
Nous avons démontré que si x est solution de l’équation (E) alors f(x)=0 .
Question 2
Calculer la limite de f en −∞ .
Correction
Ici, il s'agit d'une limite par composition. On commence par calculer x→−∞lim−x=+∞. On pose X=−x. Ainsi : X→+∞limeX=+∞. Par composition :
x→−∞lime−x=+∞
Finalement : x→−∞limx−e−x=−∞
Question 3
Calculer la limite de f en +∞ .
Correction
Ici, il s'agit d'une limite par composition. On commence par calculer x→+∞lim−x=−∞. On pose X=−x. Ainsi : X→−∞limeX=0. Par composition :
x→+∞lime−x=0
Finalement : x→+∞limx−e−x=+∞
Question 4
Étudier le sens de variations de la fonction f sur R.
Correction
Soit f(x)=x−e−x . f est dérivable sur R .
(eu)′=u′eu
Ainsi :
f′(x)=1+e−x
Pour tout x∈R , on sait que e−x>0. De ce fait, pour tout x∈R, on a : f′(x)>0 ce qui implique que la fonction f est strictement croissante sur R
Question 5
En déduire que l’équation (E) possède une unique solution sur R, notée α.
Correction
D'après la question 1, nous avons démontré que si x est solution de l’équation (E) alors f(x)=0 . Nous pouvons donc traduire la question par : démontrer que l'équation f(x)=0 admet une unique solution sur R, notée α.
Sur ]−∞;+∞[, la fonction f est continue et strictement croissante. De plus, x→−∞limf(x)=−∞ et x→+∞limf(x)=+∞ . Or 0∈]−∞;+∞[, donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α appartenant à R tel que f(x)=0.
Question 6
Démontrer que α appartient à l’intervalle [21;1] .
Correction
A la calculatrice, on vérifie que : f(21)≈−0,106 et f(1)≈0,632 Or 0∈[−0,106;0,632], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires on en déduit que : 21≤α≤1
Question 7
Étudier le signe de f sur l’intervalle [0;α] .
Correction
Sur ]−∞;+∞[, la fonction f est continue et strictement croissante et f(α)=0 Donc f(x)≤0 pour tout x∈]−∞;α] et f(x)≥0 pour tout x∈[α;+∞[ On résume cela dans un tableau de signe :
Or nous savons que 21≤α≤1 ce qui nous permet de dire que sur l'intervalle [0;α], la fonction f est négative.
Question 8
On note g la fonction définie sur l’intervalle [0;α] par : g(x)=1+ex1+x
Démontrer que l’équation f(x)=0 est équivalente à l’équation g(x)=x .
Correction
g(x)=x équivaut successivement à : 1+ex1+x=x 1+x=x×(1+ex) 1+x=x+xex 1+x−x=xex 1=xex x1=ex . Une fois rendu, ici, il nous faut reprendre le même raisonnement que la question 1, que nous réécrivons ci-dessus : (E) : ex=x1 équivaut successivement à : x×ex=x1×x xex=1 exxex=ex1 x=ex1 x=e−x x−e−x=0
f(x)=0
Question 9
En déduire que α est l’unique réel vérifiant : g(α)=α .
Correction
D'après la question 5, nous avons vu que α était l’unique solution dans [0;1] de l’équation f(x)=0 qui est équivalente à g(x)=x. Il en résulte donc que α est l’unique solution dans [0;1] de l’équation g(x)=x. Finalement, α est l’unique réel vérifiant : g(α)=α .
Question 10
Calculer g′(x) et montrer que g′(x)=(1+ex)2−exf(x)
Correction
On note g la fonction définie sur l’intervalle [0;α] par : g(x)=1+ex1+x g est dérivable sur [0;α] . On reconnaît la forme (vu)′=v2u′v−uv′ avec u(x)=1+x et v(x)=1+ex Ainsi : u′(x)=1 et v′(x)=ex. Il vient alors que : g′(x)=(1+ex)21×(1+ex)−(1+x)×ex g′(x)=(1+ex)21+ex−ex−xex g′(x)=(1+ex)21−xex g′(x)=(1+ex)2ex(ex1−xex). Nous avons factoriser le numérateur par ex g′(x)=(1+ex)2ex(ex1−exxex) g′(x)=(1+ex)2ex(e−x−x) g′(x)=(1+ex)2−ex(x−e−x)
g′(x)=(1+ex)2−exf(x)
Question 11
En déduire que la fonction g est croissante sur l’intervalle [0;α].
Correction
Nous savons que g′(x)=(1+ex)2−exf(x) Pour tout réel [0;α], nous savons que ex>0 et (1+ex)2>0. De ce fait, le signe de g′ est alors dépend du signe de −f. D'après la question 7, sur l'intervalle [0;α], la fonction f est négative. Ainsi −f(x)>0 Il en résulte donc que, pour tout réel [0;α] , g′(x)=(1+ex)2−exf(x)>0 et de ce fait, pour tout réel [0;α], la fonction g est strictement croissante.
Question 12
On considère la suite (un) définie par : u0=0 et, pour tout entier naturel n, par : un+1=g(un)
Démontrer par récurrence que, pour tout entier naturel n : 0≤un≤un+1≤α
Correction
Pour tout entier naturel n, posons la propriété Pn:0≤un≤un+1≤α Etape d'initialisation On sait que u0=0 et u1=g(u0)=g(0)=21 ainsi 0≤u0≤u1≤α. La propriété P0 est vraie. Etape d'hérédité On suppose qu'il existe un entier k tel que la propriété Pk soit vraie c'est-à-dire 0≤uk≤uk+1≤α et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1 c'est-à-dire 0≤uk≤uk+1≤α Par hypothèse de récurrence : 0≤uk≤uk+1≤α , or la fonction g est croissante sur l'intervalle [0;α] ainsi l'ordre sera conservé. g(0)≤g(uk)≤g(uk+1)≤g(α). Nous savons que g(0)=0 et que g(α)=α d'après la question 9. De plus g(uk)=uk+1 et que g(uk+1)=uk+2 . Cela nous donne : 0≤uk+1≤uk+2≤α Ainsi la propriété Pk+1 est vraie. Conclusion Puisque la propriété P0 est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel n, on a Pn vraie, c'est à dire pour tout entier naturel n : 0≤un≤un+1≤α
Question 13
En déduire que la suite (un) est convergente. On note l sa limite.
Correction
Nous venons de montrer que 0≤un≤un+1≤α . Cela signifie donc que un≤un+1 . Autrement dit la suite (un) est croissante. De plus, comme 0≤un≤un+1≤α alors un≤α qui nous permet de conclure que la suite (un) est majorée par α.
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.
D'après le théorème de convergence des suites monotones , on peut affirmer que la suite (un) est convergente et admet donc une limite que l'on note l.
Question 14
Justifier l’égalité : g(l)=l. En déduire la valeur de l .
Correction
Comme la suite (un) est convergente alors elle admet une limite que l'on note l. Nous pouvons écrire que : n→+∞limun=n→+∞limun+1=l Or la fonction g est continue donc n→+∞limg(un)=g(l) . Comme g(un)=un+1 alors n→+∞limun+1=g(l) Nous avons alors n→+∞limun+1=g(l) et n→+∞limun+1=l Ainsi :
g(l)=l
D'après la question 9, nous savons que α est l’unique réel vérifiant : g(α)=α . Par conséquent :
l=α
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