Suites numériques

Exercice 17 ⭐️⭐️ Intégrale de Wallis, Sup/L1/Classique

Soit In=0π2cosn(t)dt\displaystyle I_n=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n(t)dt. Montrer que la suite (nIn1In)\displaystyle (nI_{n-1}I_n) est constante.
En déduire un encadrement de In2\displaystyle I_n^2 et que Inπ2n,4n(2nn)1πn.I_n\sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}}, \quad 4^{-n}{2n\choose n}\sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}}.

Puissance dans une intégrale 👉 IPP !

On intègre par parties avec u=cosn1\displaystyle u=\cos^{n-1} et v=sin\displaystyle v=\sin. Alors, pour n>1\displaystyle n>1,
0π2cosn(t)dt=[sin(t)cosn1(t)]0π/20π2(n1)sin(t)cosn2(t)sin(t)dt.\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n(t)dt=[\sin(t)\cos^{n-1}(t)]_0^{\pi/2}-\int_0^{\frac{\pi}{2}}-(n-1)\sin(t)\cos^{n-2}(t)\sin(t)dt. Donc, avec sin2=1cos2\displaystyle \sin^2=1-\cos^2, on obtient : In=(n1)(In2In),I_n=(n-1)(I_{n-2}-I_n), d’où nIn=(n1)In2\displaystyle nI_n=(n-1)I_{n-2} et nInIn1=(n1)In1In2\displaystyle nI_nI_{n-1}=(n-1)I_{n-1}I_{n-2}, ce qu’on voulait.
On a I0=π/2\displaystyle I_0=\pi/2 et I1=1\displaystyle I_1=1, donc pour tout n1\displaystyle n\ge1, nInIn1=π/2\displaystyle nI_nI_{n-1}=\pi/2.
Comme sur [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2], 0cos(t)1\displaystyle 0\le\cos(t)\le 1, on en déduit que In\displaystyle I_n est décroissante. Donc nIn2nInIn1=π2=(n+1)In+1In(1+1/n)nIn2.nI_n^2\le nI_nI_{n-1}=\frac{\pi}{2}=(n+1)I_{n+1}I_n\le (1+1/n)nI_n^2. Ainsi nIn2\displaystyle nI_n^2 converge vers π/2\displaystyle \pi/2 et Inπ2n\displaystyle I_n\sim\sqrt{\frac{\pi}{2n}}. Enfin, In=n1nIn2=n1nn3n2In4.I_n=\frac{n-1}{n}I_{n-2}=\frac{n-1}{n}\frac{n-3}{n-2}I_{n-4}. Donc, en prenant 2n\displaystyle 2n au lieu de n\displaystyle n, on a I2n=(2n1)312n21I0=(2n)!2nn!2nn!π2.I_{2n}=\frac{(2n-1)\cdots 3\cdot 1}{2n\cdots 2\cdot 1}I_0=\frac{(2n)!}{2^n n! 2^n n!}\frac{\pi}{2}. Par conséquent 4n(2nn)2ππ4n=1πn,4^{-n}{2n\choose n}\sim \frac{2}{\pi}\sqrt{\frac{\pi}{4n}}=\frac{1}{\sqrt{\pi n}}, qui est la fréquence de l’équirépartition : n\displaystyle n piles et n\displaystyle n faces parmi 2n\displaystyle 2n lancés de pièce.

🎁 Pour en savoir plus sur les coefficients binomiaux centraux, on pourra consulter
cet article du blog Math-OS

Exercice 37 ⭐️⭐️ Suite récurrente, équivalent somme, Sup/Spé/L2

Soit (un)\displaystyle (u_n) définies par u0>0\displaystyle u_0>0 et un+1=1+un2\displaystyle u_{n+1}=\sqrt{1+u_n^2}.

  1. Calculer un\displaystyle u_n.
  2. Donner un équivalent de k=0n1uk\displaystyle \sum_{k=0}^n \frac{1}{u_k}.
  • Télescopage ;
  • Sommation des relations de comparaison.

On a un+12un2=1\displaystyle u_{n+1}^2-u_n^2=1, donc en sommant, on obtient par téléscopage un2u02=n\displaystyle u_n^2-u_0^2=n, d’où un=n+u02\displaystyle u_n=\sqrt{n+u_0^2}.
On en déduit unn\displaystyle u_n \sim {\sqrt{n}}. Or n+1n=1n+1+n12n12un\displaystyle \sqrt{n+1}-\sqrt{n}=\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}\sim \frac{1}{2\sqrt{n}}\sim \frac{1}{2u_{n}}. Comme 1n\displaystyle \sum \frac{1}{\sqrt{n}} diverge, on en déduit par sommation des relations de comparaison : k=0n1uk2k=0n(k+1k)2n.\sum_{k=0}^n \frac{1}{u_k} \sim 2 \sum_{k=0}^n (\sqrt{k+1}-\sqrt{k}) \sim 2\sqrt{n}.

Exercice 38 ⭐️⭐️ Série harmonique alternée, Sup/L1/Classique

Calculer vN=n=0N(1)nn+1\displaystyle v_N=\sum_{n=0}^{N} \frac{(-1)^n}{n+1}, et sa limite.

A toi de choisir !

  • 1n+1=01tndt\displaystyle \frac{1}{n+1}=\int_0^1 t^ndt ;
  • 1n=0enxdx\displaystyle \frac{1}{n}=\int_0^\infty e^{-nx}dx.

En écrivant 1n+1=01tndt\displaystyle \frac{1}{n+1}=\int_0^1 t^ndt, on a
vN=n=0N01(1)ntndt=01n=0N(t)ndt=011(t)N+11+tdt.\begin{aligned} v_N &= \sum_{n=0}^{N} \int_0^1 (-1)^n t^n dt \\ & = \int_0^1\sum_{n=0}^{N} (-t)^ndt \\ & = \int_0^1 \frac{1-(-t)^{N+1}}{1+t}dt.\\ \end{aligned}

On a pu intervertir somme et intégrale sans théorèmes car la somme est finie. Comme 01(t)N+11+tdt01tN+1dt=1N+2N0,\left|\int_0^1 \frac{(-t)^{N+1}}{1+t}dt\right|\le\int_0^1t^{N+1}dt=\frac{1}{N+2}\xrightarrow[N\to\infty]{} 0, on en déduit : vNN01dt1+t=ln(2).v_N\xrightarrow[N\to\infty]{} \int_0^1\frac{dt}{1+t}=\ln(2).

Exercice 40 ⭐️ Terminale/Sup/L1

Soit (un)\displaystyle (u_n) définie par {u0>1nN, un+1=un22un+2.\displaystyle \left \lbrace \begin{array}{l} u_0 > 1 \\ \forall n \in \mathbb N,\ u_{n+1} = u_n ^2 - 2 u_n + 2. \end{array} \right.

  1. Montrer que un>1,nN\displaystyle u_n > 1, \forall n \in \mathbb N.

  2. On pose vn=ln(un1)\displaystyle v_n = \ln(u_n - 1).
    Exprimer vn\displaystyle v_n puis un\displaystyle u_n en fonction de n et trouver la limite de (un)\displaystyle (u_n).

  1. On commence à voir le début d’une identité remarquable pour un\displaystyle u_n, en effet un+1=(un1)2+1\displaystyle u_{n+1}=(u_n-1)^2+1. Par récurrence on voit alors que un>1\displaystyle u_n>1 car u0>1\displaystyle u_0>1.
  2. On remarque un+11=(un1)2\displaystyle u_{n+1}-1=(u_n-1)^2, donc en passant au logarithme il vient vn+1=2vn\displaystyle v_{n+1}=2v_n, d’où vn=2nv0\displaystyle v_n=2^nv_0.
    Ainsi un=evn+1\displaystyle u_n=e^{v_n}+1. On calcule alors facilement la limite de un\displaystyle u_n suivant que u0]1,2[\displaystyle u_0\in]1,2[ (i.e. v0<0\displaystyle v_0<0), u0=2\displaystyle u_0=2 (i.e. v0=0\displaystyle v_0=0) et u0>2\displaystyle u_0>2 (i.e. v0>0\displaystyle v_0>0).

Exercice 41 ⭐️ Suite arithmético-géométrique, Terminale/Sup/L1

Soit α]0,1[\displaystyle \alpha \in ]0, 1[ et soit (un)\displaystyle (u_n) la suite définie par :
{u0=α(1α)un+1=(1α)un+α(1α).\left \lbrace \begin{array}{l} u_0 = \alpha (1-\alpha)\\ u_{n+1} = (1 - \alpha)u_n + \alpha(1-\alpha).\\ \end{array} \right . Déterminer l’expression de un\displaystyle u_n en fonction de α\displaystyle \alpha et n. En déduire la limite de un\displaystyle u_n.

On pose a=1α\displaystyle a=1-\alpha et b=α(1α)\displaystyle b=\alpha(1-\alpha), de sorte que un+1=aun+b\displaystyle u_{n+1} = au_n + b. Ici a1\displaystyle a\neq1, on pose r=b1a=1α\displaystyle r=\frac{b}{1-a}=1-\alpha et on rappelle que vn=unr\displaystyle v_n=u_n-r est une suite géométrique avec vn+1=avn\displaystyle v_{n+1}=av_n, ce qui fournit : un=an(u0r)+r=(1α)n(α(1α)(1α))+(1α).u_n=a^n(u_0-r)+r=(1-\alpha)^n(\alpha (1-\alpha)-(1-\alpha))+(1-\alpha). L’expression peut être un peu factorisée mais est déjà suffisante pour voir que limn+un=1α\displaystyle \lim_{n\to+\infty}u_n= 1-\alpha car 0<α<1\displaystyle 0<\alpha<1 et donc 0<1α<1\displaystyle 0<1-\alpha<1.

Exercice 42 ⭐️⭐️⭐️ Valeurs d’adhérence et intervalle, Sup/L1

Soit u\displaystyle u une suite réelle telle que un+1unn0\displaystyle u_{n+1}-u_n\xrightarrow[n\to\infty]{} 0.
Montrer que que l’ensemble des valeurs d’adhérence de u\displaystyle u est un intervalle, i.e.
si a<b\displaystyle a<b sont deux valeurs d’adhérence alors c\displaystyle c tel que a<c<b\displaystyle a<c<b en est une aussi.

On pourra considérer l’ensemble {k  qkr et ukcε}\displaystyle \{k\ |\ q\le k\le r \ {\rm et}\ u_k\le c-\epsilon\} avec q\displaystyle q et r\displaystyle r bien choisis.

Soit a<b\displaystyle a<b deux valeurs d’adhérence. Soit c]a,b[\displaystyle c\in]a,b[ et ε>0\displaystyle \epsilon>0 tel que ]cε,c+ε[]a,b[\displaystyle ]c-\epsilon,c+\epsilon[\subset ]a,b[.
Comme un+1unn0\displaystyle u_{n+1}-u_n\xrightarrow[n\to\infty]{} 0, il existe N\displaystyle N tel que pour tout nN\displaystyle n\ge N, un+1un<2ε\displaystyle |u_{n+1}-u_n|< 2\epsilon. On fixe désormais N\displaystyle N.
On a a<cε\displaystyle a<c-\epsilon. Comme a\displaystyle a est une valeur d’adhérence de (un)\displaystyle (u_n), il existe une sous-suite de (un)\displaystyle (u_n) qui converge vers a\displaystyle a. Donc "pour certains n\displaystyle n de plus en plus grand, un\displaystyle u_n se rapproche de a\displaystyle a et finit par descendre en dessous de cε\displaystyle c-\epsilon". Ainsi il existe N1>N\displaystyle N_1>N tel que uN1cε\displaystyle u_{N_1}\le c-\epsilon.
De même, comme b\displaystyle b est valeur d’adhérence, il existe N2>N1\displaystyle N_2>N_1 tel que uN2c+ε\displaystyle u_{N_2}\ge c+\epsilon.

On considère alors l’ensemble A={k  N1kN2 et ukcε}\displaystyle A=\{k\ |\ N_1\le k\le N_2 \ {\rm et}\ u_k\le c-\epsilon\}. On note que A\displaystyle A est non vide car N1A\displaystyle N_1\in A, et il est borné, donc il possède un plus grand élément K<N2\displaystyle K< N_2 (on ne peut pas avoir K=N2\displaystyle K=N_2 par définition de N2\displaystyle N_2). Donc N1K+1N2\displaystyle N_1\le K+1\le N_2, mais K+1A\displaystyle K+1\notin A. Par suite uK+1>cε\displaystyle u_{K+1}>c-\epsilon (sinon on aurait K+1A\displaystyle K+1\in A). Comme KN1N\displaystyle K\ge N_1\ge N, on a uK+1uK<2ε\displaystyle |u_{K+1}-u_K|< 2\epsilon, et donc uK+1<uK+2εc+ε\displaystyle u_{K+1}<u_K+2\epsilon\le c+\epsilon, i.e. uK+1]cε,c+ε[\displaystyle u_{K+1}\in ]c-\epsilon,c+\epsilon[, ce qu’on voulait.

Exercice 43 ⭐️ Critère spécial des séries alternées, Spé/L2

Si (an)\displaystyle (a_n) est une suite réelle décroissante et de limite nulle, alors la suite de terme général Sn=k=0n(1)kak\displaystyle S_n=\sum_{k=0}^n(-1)^ka_k converge.

C’est le critère spécial des séries alternées (c’est du cours normalement). Tu peux trouver la preuve avec des exemples intéressants sur la page wikipédia des séries alternées.

Exercice 44 ⭐️ Limsup, Sup/L1

Soit (xn)\displaystyle (x_n) une suite réelle bornée et soit la suite (un)\displaystyle (u_n) définie par un=sup{xk,kn}\displaystyle u_n=\sup\{x_k,k\ge n\}. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) est convergente.

La suite (un)\displaystyle (u_n) est décroissante (car {xk,kn+1}{xk,kn}\displaystyle \{x_k,k\ge n+1\}\subset \{x_k,k\ge n\}). Elle est minorée car (xn)\displaystyle (x_n) est bornée. Donc la suite (un)\displaystyle (u_n) converge.
C’est la notion de lim sup\displaystyle \limsup (resp. de lim inf\displaystyle \liminf) qui n’est pas au programme de sup-spé, L1-L2, mais qui est fondamentale et un outil très puissant.

Exercice 45 ⭐️⭐️ Produit de cos(k)\displaystyle \cos(k), Sup/L1

Etudier la limite de la suite (un)nN\displaystyle (u_n)_{n\in\N} définie par : un=0kncos(k)\displaystyle u_n=\prod_{0\le k\le n}\cos(k).

  • On voit du cos\displaystyle \cos 👉 Faudra sans doute utiliser des formules de trigo ;
  • Limite d’une suite ? 👉 Penser à monotone bornée !
  • La suite peut a priori changer de signe 👉 Pas cool, on prend la valeur absolue pour voir.

La suite vn=un\displaystyle v_n=|u_n| est décroissante car cos(n)1\displaystyle |\cos(n)|\le1, et minorée par 0\displaystyle 0, donc convergente vers l0\displaystyle l\ge0.
Supposons que l>0\displaystyle l>0. Alors cos(n)=vnvn1n1,|\cos(n)|=\frac{v_n}{v_{n-1}}\xrightarrow[ n\to \infty]{}1, donc cos2(n)=12(cos(2n)+1)n1,\cos^2(n)=\frac12(\cos(2n)+1)\xrightarrow[ n\to \infty]{}1, d’où cos(2n)21=1\displaystyle \cos(2n)\to 2-1=1. Mais cos(2n)+cos(2n+4)=2cos(2n+2)cos(2)\cos(2n)+\cos(2n+4)=2\cos(2n+2)\cos(2) (cf Formulaire 5). On s’empresse de passager à la limite (réflexe à avoir quand on a des égalités ou inégalités avec une variable) car on voit des sous-suites de la suite convergente ncos(2n)\displaystyle n\mapsto \cos(2n). Ainsi on obtient 2=2cos(2)\displaystyle 2=2\cos(2), i.e. cos(2)=1\displaystyle \cos(2)=1, ce qui est faux ! On en déduit donc que l=0\displaystyle l=0, et que la suite un\displaystyle u_n tend vers 0\displaystyle 0.

Exercice 46 ⭐️⭐️ Racines d’une suite de polynômes, Mines, Sup/L1

On considère une suite (an)\displaystyle (a_n) de réels positifs ou nuls avec a0>0\displaystyle a_0>0 et a1>0\displaystyle a_1>0.
On pose pour tout n>0\displaystyle n>0, Pn(x)=a0+1knakxk\displaystyle P_n(x)=-a_0+\sum_{1\le k\le n}a_k x^k.
Montrer que Pn\displaystyle P_n admet une unique racine un>0\displaystyle u_n>0. Montrer que la suite (un)\displaystyle (u_n) est convergente.

  • Existence de racine, continuité 👉 TVI !
  • Suite convergente ? 👉 suite monotone bornée ?

On a Pn(0)=a0<0\displaystyle P_n(0)=-a_0<0, et Pn(x)=a1+2knkakxk1>0\displaystyle P'_n(x)=a_1+\sum_{2\le k\le n}ka_k x^{k-1}>0 pour tout x0\displaystyle x\ge0. Comme Pn\displaystyle P_n est continu strictement croissante sur R+\displaystyle \R_+ avec limxPn(x)=+\displaystyle \lim_{x\to\infty}P_n(x)=+\infty, on en déduit que Pn\displaystyle P_n a une unique racine un>0\displaystyle u_n>0 (Pn\displaystyle P_n réalise en fait une bijection de [0,+[\displaystyle [0,+\infty[ sur [a0,+[\displaystyle [-a_0,+\infty[).
Pour voir si un\displaystyle u_n converge, on peut dans un premier temps regarder si elle est monotone (sinon faudra se creuser la tête un peu plus). On a Pn+1(un)=an+1unn+1+Pn(un)0,P_{n+1}(u_n)= a_{n+1}u_n^{n+1}+P_n(u_n)\ge0, mais aussi Pn+1(un+1)=0\displaystyle P_{n+1}(u_{n+1})=0, i.e. Pn+1(un+1)Pn+1(un)\displaystyle P_{n+1}(u_{n+1})\le P_{n+1}(u_n). Comme Pn+1\displaystyle P_{n+1} est croissant, on en déduit que un+1un\displaystyle u_{n+1}\le u_n. La suite (un)\displaystyle (u_n) est alors décroissante et minorée par 0\displaystyle 0, donc elle converge !

Exercice 47 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Lemme sous-additif, Spé/L3

Soit (an)nN\displaystyle (a_n)_{n\in\N} une suite sous-additive, i.e. an+man+am\displaystyle a_{n+m}\le a_n+a_m. Montrer que la limite limnann\displaystyle \lim_{n\rightarrow \infty}\frac{a_n}{n} existe et vaut l:=infnNann\displaystyle l:=\inf_{n\in\N}\frac{a_n}{n}.
On traitera d’abord le cas où l>\displaystyle l>-\infty .

La page wikipedia est très bien. La preuve utilise la notion de lim sup\displaystyle \limsup et de lim inf\displaystyle \liminf qui n’est pas au programme de sup-spé, L1-L2, mais qui est simple et très puissante. Pour compléter cette dernière page, il faut dire que si lim supun=lim infun\displaystyle \limsup u_n=\liminf u_n alors (un)\displaystyle (u_n) a une limite qui est la lim sup ou inf.

Exercice 49 ⭐️⭐️⭐️ Spé/L2

Calculer un équivalent de bn=k=1n(1)kk\displaystyle b_n=\sum_{k=1}^n (-1)^k \sqrt{k}.

Pas facile d’avoir une intuition sur le comportement d’une série alternée dont le terme général diverge vers +\displaystyle +\infty en valeur absolue. On peut déjà se ramener à l’étude d’une série à termes positifs en écrivant que b2n=k=1n2k2k1.b_{2n} = \sum_{k=1}^n \sqrt{2k}-\sqrt{2k-1}. Ici, on a juste regroupé les termes deux par deux. La somme obtenue ressemble à une somme téléscopique, mais il faut ruser un peu pour obtenir une telle forme… Une façon de s’en sortir est d’écrire 2k2k1=12(2k2k2)+12(2k22k1+2k2).\sqrt{2k}-\sqrt{2k-1} = \frac{1}{2}\left(\sqrt{2k}-\sqrt{2k-2}\right)+\frac{1}{2}\left(\sqrt{2k}-2\sqrt{2k-1}+\sqrt{2k-2}\right). On a donc b2n=12k=1n(2k2k2)+k=1nwk,b_{2n} = \frac{1}{2} \sum_{k=1}^n \left(\sqrt{2k}-\sqrt{2k-2}\right) + \sum_{k=1}^n w_k, avec wk=12(2k22k1+2k2)\displaystyle w_k=\frac{1}{2}\left(\sqrt{2k}-2\sqrt{2k-1}+\sqrt{2k-2}\right). La première somme est maintenant téléscopique, on a : 12k=1n(2k2k2)=2n2.\frac{1}{2} \sum_{k=1}^n \left(\sqrt{2k}-\sqrt{2k-2}\right) = \frac{\sqrt{2n}}{2}. La seconde somme est la somme partielle d’une série convergente. En effet, la concavité de la fonction xx\displaystyle x \mapsto \sqrt{x} permet de montrer que wk0\displaystyle w_k \le 0. De plus, on utilise le développement limité 1+h=1+12h18h2\displaystyle \sqrt{1+h}=1+\frac{1}{2}h-\frac{1}{8}h^2 pour écrire : wk=2k2(12112k+11k)11621k3/2.w_k = \frac{\sqrt{2k}}{2}\left(1-2\sqrt{1-\frac{1}{2k}}+\sqrt{1-\frac{1}{k}}\right) \sim -\frac{1}{16\sqrt{2}} \frac{1}{k^{3/2}}. La suite (wk)\displaystyle (w_k) est à termes négatifs et équivalente au terme général d’une série convergente, donc la suite Sn=k=1nwk\displaystyle S_n = \sum_{k=1}^n w_k est convergente. On a donc montré : limnb2n122n=limn1+Sn122n=1.\lim_{n \to \infty} \frac{b_{2n}}{\frac{1}{2}\sqrt{2n}} = \lim_{n \to \infty} 1 + \frac{S_n}{\frac{1}{2}\sqrt{2n}} = 1. De plus, on a : limnb2n+1122n+1=limn122n122n+12n+1122n+1+Sn122n=12=1.\lim_{n \to \infty} \frac{b_{2n+1}}{\frac{1}{2}\sqrt{2n+1}} = \lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{2}\sqrt{2n}}{\frac{1}{2}\sqrt{2n+1}} - \frac{\sqrt{2n+1}}{\frac{1}{2}\sqrt{2n+1}}+ \frac{S_n}{\frac{1}{2}\sqrt{2n}} = 1-2=-1.

Au final, on a montré que
bn(1)nn2.b_n \sim (-1)^n \frac{\sqrt{n}}{2}.

Exercice 50 ⭐️⭐️⭐️ Spé/L2

Montrer qu’il existe une constante C0\displaystyle C \neq 0 telle que 2kn(1+(1)kk)nCn.\prod_{2 \le k \le n} \left(1+\frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}\right) \underset{n \to \infty}{\sim} \frac{C}{\sqrt{n}}.

Produit 👉 Passage au log\displaystyle \log.

Voulant prendre le log\displaystyle \log de n2kn(1+(1)kk)\displaystyle \sqrt{n}\prod_{2 \le k \le n} \left(1+\frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}\right), on pose naturellement :un=12ln(n)+k=2nln(1+(1)kk).u_n = \frac{1}{2} \ln(n)+\sum_{k=2}^n \ln\left(1+\frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}\right). On va montrer que la suite un\displaystyle u_n est convergente, de limite lR\displaystyle l \in \R, ce qui implique, par continuité de la fonction exponentielle, le résultat souhaité, avec C=exp(l)\displaystyle C=\exp(l). L’idée naturelle est de considérer un développement limité des logarithmes. On pose donc, pour k2\displaystyle k \ge 2, vk=(1)kk12k , wk=ln(1+(1)kk)vk.v_k = \frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}-\frac{1}{2k} \ , \ w_k = \ln\left(1+\frac{(-1)^k}{\sqrt{k}}\right)-v_k. Le développement limité du logarithme permet de montrer que limkk3/2wk=13.\lim_{k \to \infty} k^{3/2} |w_k| = \frac{1}{3}. Par comparaison avec une série de Riemann, on en déduit que la série k2wk\displaystyle \sum_{k \ge 2} w_k est absolument convergente, donc convergente. Notons S1\displaystyle S_1 la somme de cette série. De plus, la série k2(1)kk\displaystyle \sum_{k \ge 2} \frac{(-1)^k}{\sqrt{k}} vérifie les hypothèses du critère des séries alternées, c’est donc une série convergente, on note S2\displaystyle S_2 sa somme. Enfin, on rappelle le résultat suivant : la suite (ln(n)+k=1n1k)n1\displaystyle \left(-\ln(n)+\sum_{k=1}^n \frac{1}{k}\right)_{n \ge 1} est convergente, sa limite étant souvent notée γ\displaystyle \gamma. On recolle tous ces résultats de la façon suivante : on a un=12(ln(n)k=1n1k)+12+k=2n(1)kk+k=2nwk,u_n = \frac{1}{2}\left(\ln(n)-\sum_{k=1}^n \frac{1}{k} \right)+\frac{1}{2} + \sum_{k=2}^n \frac{(-1)^k}{\sqrt{k}} + \sum_{k=2}^n w_k, donc la suite (un)n2\displaystyle (u_n)_{n \ge 2} est bien convergente, de limite 12γ+12+S2+S1\displaystyle -\frac{1}{2}\gamma+\frac{1}{2}+S_2+S_1.

Exercice 51 ⭐️⭐️ Limite de cos(nx)\displaystyle \cos(nx), Terminale/Sup/L1

Soit xR\displaystyle x \in \mathbb{R} tel que limn+cos(nx)=1\displaystyle \lim_{n \to +\infty}\cos(nx) = 1. Montrer que x2πZ\displaystyle x \in 2\pi \mathbb{Z}.

  • On voit du cos\displaystyle \cos 👉 Formules de trigo ;
  • On voit des entiers n\displaystyle n 👉 Récurrence (ici ça n’est pas pertinent), regarder avec n+1\displaystyle n+1, n+2\displaystyle n+2, sous-suites, etc.

Au diable les epsilons et les raisonnements fins, voici une solution assez simple. Tout d’abord, la formule sin2(nx)=1cos2(nx)\displaystyle \sin^2(nx) = 1- \cos^2(nx) permet de montrer que limnsin(nx)=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} \sin(nx) = 0. Ensuite, on écrit que :
1=limncos((n+1)x)=cos(x)limncos(nx)sin(x)limnsin(nx)=cos(x).\begin{aligned} 1 & = \lim_{n \to \infty} \cos((n+1)x) \\ & = \cos(x)\lim_{n \to \infty} \cos(nx)-\sin(x) \lim_{n \to \infty} \sin(nx) \\ & = \cos(x). \end{aligned} Ainsi x\displaystyle x est nécessairement solution de l’équation cos(x)=1\displaystyle \cos(x)=1, donc x\displaystyle x est bien élément de 2πZ\displaystyle 2\pi \mathbb{Z}.

Exercice 52 ⭐️⭐️⭐️ X PC, Sup/L1

Soient (an)n0\displaystyle (a_n)_{n \ge 0} et (bn)n0\displaystyle (b_n)_{n \ge 0} deux suites réelles telles que anαR\displaystyle a_n \to \alpha \in \mathbb{R} et bnβR\displaystyle b_n \to \beta \in \mathbb{R}. Déterminer la limite de la suite de terme général un=1n+1k=0nakbnk\displaystyle u_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n a_k b_{n-k}.

un\displaystyle u_n ressemble à une moyenne arithmétique 👉 Lemme de Cesaro ?

La seule idée naturelle pour la limite, ce serait αβ\displaystyle \alpha \beta. Intuitivement, si k\displaystyle k et nk\displaystyle n-k sont tous les deux suffisamment grands, alors akbnk\displaystyle a_k b_{n-k} ne doit pas être éloigné de αβ\displaystyle \alpha \beta, donc un\displaystyle u_n, qui est vu comme une moyenne des akbnk\displaystyle a_k b_{n-k}, doit aussi être proche de αβ\displaystyle \alpha \beta. Pour rendre ces idées rigoureuses, il faut deux ingrédients supplémentaires : tout d’abord, comme les suites (an)n0\displaystyle (a_n)_{n \ge 0} et (bn)n0\displaystyle (b_n)_{n \ge 0} sont convergentes, elles sont bornées : il existe donc M>0\displaystyle M>0 tel que anM\displaystyle |a_n| \le M et bnM\displaystyle |b_n| \le M pour tout n0\displaystyle n \ge 0. On a également αM\displaystyle \alpha \le M et βM\displaystyle \beta \le M.

Le deuxième ingrédient est le lemme de Cesaro, qu’on rappelle ici sous une forme simplifiée : si (vn)n0\displaystyle (v_n)_{n \ge 0} est une suite convergente de limite 0\displaystyle 0, et si Sn=1n+1k=0nvk\displaystyle S_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n v_k, alors la suite (Sn)n0\displaystyle (S_n)_{n \ge 0} est convergente de limite 0\displaystyle 0. En effet, si ε>0\displaystyle \varepsilon > 0, on fixe un rang K\displaystyle K tel que vk<ε2\displaystyle |v_k|<\frac{\varepsilon}{2} pour nK\displaystyle n \ge K. On fixe ensuite un rang NK\displaystyle N \ge K tel que 1n+1k=0K1vkε2\displaystyle \frac{1}{n+1}\left|\sum_{k=0}^{K-1} v_k \right| \le \frac{\varepsilon}{2} pour tout nN\displaystyle n \ge N. On a alors : nN , Sn1n+1k=0K1vk+1n+1k=Knvkε2+nK+1nε2<ε,\forall n \ge N \ , \ \left|S_n \right| \le \frac{1}{n+1}\left|\sum_{k=0}^{K-1} v_k \right| + \frac{1}{n+1} \sum_{k=K}^n |v_k| \le \frac{\varepsilon}{2} + \frac{n-K+1}{n} \frac{\varepsilon}{2} < \varepsilon, la limite est donc bien établie.

Revenons à l’exercice : on remarque tout d’abord que akbnkαβ=(akα)bnk+α(bnkβ)Makα+Mbnkβ|a_kb_{n-k}-\alpha \beta| = |(a_k-\alpha)b_{n-k} + \alpha (b_{n-k}-\beta)| \le M |a_k-\alpha| + M |b_{n-k}-\beta| unαβM1n+1k=0nakα+M1n+1k=0nbnkβ.|u_n-\alpha \beta | \le M \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n |a_k-\alpha|+ M \frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n |b_{n-k}-\beta|. On applique le lemme de Cesaro à la suite vn=anα\displaystyle v_n =a_n-\alpha, qui est de limite nulle, et ainsi limn1n+1k=0nakα=0.\lim_{n \to \infty}\frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n |a_k-\alpha| =0 . Pour l’autre somme, on remarque d’abord que k=0nbnkβ=k=0nbkβ\displaystyle \sum_{k=0}^n |b_{n-k}-\beta| = \sum_{k=0}^n |b_{k}-\beta|, on peut donc à nouveau appliquer le lemme de Cesaro, qui donne la limite limn1n+1k=0nbnkβ=0.\lim_{n \to \infty}\frac{1}{n+1} \sum_{k=0}^n |b_{n-k}-\beta| =0 . Ainsi on a bien limnunαβ=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} |u_n-\alpha\beta| = 0.

Exercice 54 ⭐️⭐️ CCP, Spé/L2

Calculer la limite de la suite un=((2n)!n!nn)1/n\displaystyle u_n=\left(\frac{(2n)!}{n!n^n}\right)^{1/n}.

  • Produit, puissance 👉 Passage au log\displaystyle \log ;
  • Factoriel, puissance 👉 Formule de stirling.

Puisque un>0\displaystyle u_n>0, on peut poser vn:=ln(un)=1n(ln((2n)!)ln(n!)nln(n))\displaystyle v_n:=\ln(u_n)=\frac1n(\ln((2n)!)-\ln(n!)-n\ln(n)).
Or ln((2n)!)ln(n!)=k=1nln(n+k)\displaystyle \ln((2n)!)-\ln(n!)=\sum_{k=1}^n\ln(n+k). Donc vn=1nk=1n(ln(n+k)lnn)=1nk=1nln(1+kn),v_n=\frac1n\sum_{k=1}^n(\ln(n+k)-\ln n)=\frac1n\sum_{k=1}^n\ln\left(1+\frac{k}{n}\right),
et là on reconnaît une somme de Riemann associée à la fonction continue f(x)=ln(1+x)\displaystyle f(x)=\ln(1+x) sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Donc vnn01ln(1+x)dx=[(1+x)log(1+x)x]01=2ln21\displaystyle v_n\xrightarrow[n\to\infty]{}\int_0^1\ln(1+x)dx=[(1+x)\log(1+x)-x]_0^1=2\ln 2-1. Comme la fonction exp est continue, on en déduit unne2ln21=4/e\displaystyle u_n\xrightarrow[n\to\infty]{} e^{2\ln 2-1}=4/e.

Exercice 55 ⭐️⭐️ Série de terme général décroissant, Spé/L2/Classique

Soit (un)\displaystyle (u_n) une suite positive décroissante telle que un\displaystyle \sum u_n converge.
Montrer que un=o(1/n)\displaystyle u_n=o(1/n). Montrer que la réciproque est fausse.

Il faut faire le lien entre nun\displaystyle nu_n et des sommes de la série. Soit ε>0\displaystyle \epsilon>0.
Comme un\displaystyle \sum u_n converge, il existe n1\displaystyle n_1 tel que kn1uk<ε\displaystyle \sum_{k\ge n_1}u_k <\epsilon. Pour nn1\displaystyle n\ge n_1, on a (nn1)unk=n1+1nuk<ε(n-n_1)u_n\le \sum_{k=n_1+1}^n u_k <\epsilon car (uk)\displaystyle (u_k) est décroissante. Ainsi nunε+n1un\displaystyle nu_n\le \epsilon +n_1u_n. On sait que un\displaystyle \sum u_n converge, donc un0\displaystyle u_n\to 0, et on trouve un n2\displaystyle n_2 tel que pour tout nn2\displaystyle n\ge n_2, n1unε\displaystyle n_1 u_n\le\epsilon. Ainsi pour tout nmax(n1,n2)\displaystyle n\ge \max(n_1,n_2), nun2ε\displaystyle nu_n\le 2 \epsilon, ce qui prouve la convergence nun\displaystyle nu_n vers 0\displaystyle 0.

Pour étudier la réciproque, on prend vn=1nln(n)\displaystyle v_n=\frac{1}{n\ln(n)}. On a bien vn=o(1/n)\displaystyle v_n=o(1/n), mais la série vn\displaystyle \sum v_n ne converge pas d’après le critère de Bertrand. On peut se rappeler facilement ce dernier résultat en comparant vn=1nln(n)\displaystyle v_n=\sum\frac{1}{n\ln(n)} à l’intégrale 1xln(x)\displaystyle \int\frac{1}{x\ln(x)}, une primitive étant ln(ln(x))\displaystyle \ln(\ln(x)), qui tend vers l’infini quand x\displaystyle x\to\infty.

Exercice 229 ⭐️⭐️ Irrationalité de e\displaystyle e, Sup/L1

Soit un=1+11!+12!++1n!\displaystyle u_n=1+\frac{1}{1!}+\frac{1}{2!}+\cdots+\frac{1}{n!} et vn=un+1n!\displaystyle v_n=u_n+\frac{1}{n!}.

  1. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont adjacentes. On note e\displaystyle e leur limite.
  2. Supposons que e=pq\displaystyle e=\frac{p}{q}. Donner alors un encadrement strict de p(q1)!\displaystyle p(q-1)! Conclure.
  1. On a un+1un=1(n+1)!>0\displaystyle u_{n+1}-u_n=\frac{1}{(n+1)!}>0, donc (un)\displaystyle (u_n) est strictement croissante. De plus, vnvn+1=unun+1+1n!1(n+1)!=1n!2(n+1)!=n1(n+1)!>0,\begin{aligned} v_n-v_{n+1} & = u_n-u_{n+1}+\frac{1}{n!}-\frac{1}{(n+1)!}\\ & = \frac{1}{n!}-\frac{2}{(n+1)!} \\ & = \frac{n-1}{(n+1)!}>0, \end{aligned} pour n2\displaystyle n\ge2. Donc (vn)\displaystyle (v_n) est strictement décroissante à partir de n=2\displaystyle n=2. Comme vnun=1n!0\displaystyle v_n-u_n=\frac{1}{n!}\to 0 quand n\displaystyle n\to\infty, on en déduit que les suites (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont adjacentes. Elles convergent donc vers une limite, qu’on appelle e\displaystyle e.
  2. Supposons que e=pq\displaystyle e=\frac{p}{q}. On a uq<pq<uq+1q!\displaystyle u_q<\frac{p}{q}<u_q+\frac{1}{q!}, les inégalités étant strictes car les suites (un)\displaystyle (u_n) et (vn)\displaystyle (v_n) sont strictement monotones. D’où, q!uq<p(q1)!<q!uq+1\displaystyle q!u_q<p(q-1)!<q!u_q+1. Or q!uq\displaystyle q!u_q est un entier, donc l’entier p(q1)!\displaystyle p(q-1)! est strictement compris entre deux entiers consécutifs, ce qui est impossible. On en déduit que le nombre e\displaystyle e est irrationnel.

Exercice 244 ⭐️⭐️⭐️ k0kn2k\displaystyle \sum_{k\ge 0}\frac{k^n}{2^k}, Spé/L2

On pose pour tout nN\displaystyle n\in\N, An=k=0kn2k\displaystyle A_n=\sum_{k=0}^\infty\frac{k^n}{2^k}. Montrer que An\displaystyle A_n est bien défini et l’exprimer en fonction des (Aj)0jn1\displaystyle (A_j)_{0\le j\le n-1}. Calculer A0\displaystyle A_0 et en déduire que An\displaystyle A_n est un entier pair.

Ré-indexation de la somme.

Montrons l’existence de An\displaystyle A_n : remarquons tout d’abord que An\displaystyle A_n est la somme d’une série à termes positifs. De plus, si on se fixe 1/2<α<1\displaystyle 1/2 < \alpha < 1, on remarque par croissances comparées que limkkn(2α)k=0\displaystyle \lim_{k \to \infty} \frac{k^n}{(2 \alpha)^k} = 0, donc kn2k=ok(αk)\displaystyle \frac{k^n}{2^k} = o_{k\to \infty} (\alpha^k), et on conclut par comparaison avec le terme général d’une série convergente à termes positifs.

Établissons une relation de récurrence entre les An\displaystyle A_n. On remarque que, si n1\displaystyle n \ge 1, on a An=k=1kn2k\displaystyle A_n = \sum_{k=1}^\infty \frac{k^n}{2^k}. On fait ensuite le changement d’indice k=l+1\displaystyle k=l+1, puis on utilise la formule du binôme de Newton pour écrire : An=l=0(l+1)n2l+1=12l=0p=0n(np)lp2l.A_n = \sum_{l=0}^\infty \frac{(l+1)^n}{2^{l+1}} = \frac{1}{2}\sum_{l=0}^\infty \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} \frac{l^p}{2^l}. L’interversion des deux sommes peut se justifier de plusieurs manières : on peut dire le terme général p=0n(np)lp2l\displaystyle \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} \frac{l^p}{2^l} est la somme de n+1\displaystyle n+1 termes généraux de séries convergentes ; on peut aussi argumenter que la famille ((np)lp2l)l0,0pn\displaystyle \left(\binom{n}{p} \frac{l^p}{2^l}\right)_{l \ge 0, 0 \le p \le n} est sommable. On peut alors écrire : An=12p=0n(np)l=0lp2l=12p=0n(np)Ap.A_n = \frac{1}{2} \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} \sum_{l=0}^\infty \frac{l^p}{2^l} = \frac{1}{2} \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} A_p. Cette identité n’est vraie que pour n1\displaystyle n \ge 1 : en effet, on a utilisé le fait que 0n=0\displaystyle 0^n = 0, ce qui n’est pas vrai pour n=0\displaystyle n = 0. On en déduit que An=2AnAn=p=0n(np)ApAn=p=0n1(np)Ap.A_n = 2 A_n - A_n = \sum_{p=0}^n \binom{n}{p} A_p-A_n = \sum_{p=0}^{n-1} \binom{n}{p} A_p. Cette relation permet de montrer par récurrence que An\displaystyle A_n est un entier pair pour tout n0\displaystyle n \ge 0, car A0=111/2=2\displaystyle A_0 = \frac{1}{1-1/2} = 2 (somme d’une série géométrique de raison 1/2\displaystyle 1/2).

Exercice 310 ⭐️⭐️ Suites complexes équivalentes, L1/Sup

Soit (zn)\displaystyle (z_n) et (zn)\displaystyle (z'_n) deux suites à valeurs dans C\displaystyle \C, qui ne s’annulent pas.

  1. Montrer que si Re(zn)Re(zn)\displaystyle \mathrm{Re}(z_n)\sim \mathrm{Re}(z'_n) et Im(zn)Im(zn)\displaystyle \mathrm{Im}(z_n)\sim \mathrm{Im}(z'_n), alors znzn\displaystyle z_n\sim z'_n.
  2. Montrer à l’aide d’un contre-exemple que la réciproque est fausse.
  1. Montrer que znzn\displaystyle z_n\sim z'_n 👉 Caractériser par zn=zn+o(zn)\displaystyle z_n=z'_n+o(z_n).
  2. Prendre par exemple : un=n+i\displaystyle u_n=n+i et vn=n+2i\displaystyle v_n=n+2i.
  1. Notons zn=an+i bn\displaystyle z_n=a_n+i~b_n, et zn=an+i bn\displaystyle z'_n=a'_n+i~b'_n (avec an,bn,an,bn\displaystyle a_n,b_n,a'_n,b'_n réels).
    Par hypothèse, an=an+o(an)\displaystyle a_n=a'_n+o(a_n) et bn=bn+o(bn)\displaystyle b_n=b'_n+o(b_n).
    Par combinaison linéaire, zn=zn+o(an)+o(bn)\displaystyle z_n=z'_n+o(a_n)+o(b_n).
    Or anzn\displaystyle |a_n|\leq|z_n| et bnzn\displaystyle |b_n|\leq|z_n|, donc on a finalement : zn=zn+o(zn)\displaystyle z_n=z'_n+o(z_n).
    Autrement dit, znzn\displaystyle z_n\sim z'_n.
  2. Considérons les suites définies par un=n+i\displaystyle u_n=n+i et vn=n+2i\displaystyle v_n=n+2i.
    Alors vnun=(n+2i)(ni)n2+1=n2+2n2+1+i nn2+1\displaystyle \frac{v_n}{u_n} = \frac{(n+2i)(n-i)}{n^2+1} = \frac{n^2+2}{n^2+1}+i~\frac{n}{n^2+1}.
    Or n2+2n2+1n2n2=1\displaystyle \frac{n^2+2}{n^2+1}\sim \frac{n^2}{n^2}=1, donc n2+2n2+11\displaystyle \frac{n^2+2}{n^2+1}\to 1, et nn2+11n\displaystyle \frac{n}{n^2+1}\sim\frac{1}{n} donc nn2+10\displaystyle \frac{n}{n^2+1}\to 0.
    On a donc bien vnun1\displaystyle \frac{v_n}{u_n}\to 1, donc vnun\displaystyle v_n\sim u_n.
    Pourtant Im(vn)Im(un)=2\displaystyle \frac{\mathrm{Im}(v_n)}{\mathrm{Im}(u_n)} = 2 ne tend pas vers 0\displaystyle 0 !

Exercice 394 ⭐️⭐️ Suite Racine d’un polynôme de degré n\displaystyle n, Sup/L1

Soit Pn(x)=xnxn\displaystyle P_n(x)=x^n-x-n avec n2\displaystyle n\ge2.

  1. Montrer que Pn\displaystyle P_n a une unique racine xn\displaystyle x_n sur R+\displaystyle \R_+, et que xn1\displaystyle x_n\geq 1.
  2. Etudier la convergence de la suite (xn)\displaystyle (x_n).
  3. Déterminer un équivalent de xn1\displaystyle x_n-1.
  4. Montrer que (xn)\displaystyle (x_n) est décroissante.
  • Étude de variation de Pn\displaystyle P_n, TVI ;
  • Monotonie ? Si ça ne marche pas 👉 Encadrement de xn\displaystyle x_n par des valeurs simples dont le signe des images par Pn\displaystyle P_n est différent ;
  • D.L. de l’encadrement.
  1. On a Pn(x)=nxn11\displaystyle P_n'(x)=nx^{n-1}-1. On note an=(1/n)1/(n1)]0;1[\displaystyle a_n=(1/n)^{1/(n-1)}\in]0;1[. Donc Pn\displaystyle P_n est décroissante sur [0,an]\displaystyle [0,a_n] et strictement croissant sur ]an,+[\displaystyle ]a_n,+\infty[. On a Pn(0)=Pn(1)=n\displaystyle P_n(0) = P_n(1) = -n, donc Pn\displaystyle P_n n’a pas de racine sur [0,1]\displaystyle [0,1].
    Pn\displaystyle P_n étant continue et strictement croissante sur [1;+[\displaystyle [1;+\infty[; avec Pn(1)<0\displaystyle P_n(1)<0 et limx+Pn(x)=+\displaystyle \lim_{x\to+\infty} P_n(x)=+\infty, Pn\displaystyle P_n a une unique racine xn\displaystyle x_n sur ]1,+[\displaystyle ]1,+\infty[.
  2. On a xnn=xn+n\displaystyle x_n^n=x_n+n. On va essayer de placer xn\displaystyle x_n par rappport à des valeurs simples en utilisant la petite étude de variation faite en 1). On voit que Pn(x)0\displaystyle P_n(x)\le 0 si xxn\displaystyle x\le x_n, et Pn(x)>0\displaystyle P_n(x)> 0 si x>xn\displaystyle x> x_n. En quelles valeurs “pas trop compliquées” peut-on prendre le polynôme ? Assez naturellement, posons bn=n1/n\displaystyle b_n=n^{1/n}. On a Pn(bn)=nn1/nn=n1/n<0\displaystyle P_n(b_n)=n-n^{1/n}-n=-n^{1/n}<0, on en déduit donc bnxn\displaystyle b_n\le x_n. On comprend un peu mieux ce qui se passe et on peut maintenant poser cn=(n+e)1/n\displaystyle c_n=(n+e)^{1/n}. On a Pn(cn)=n+e(n+e)1/nn=e(n+e)1/n0\displaystyle P_n(c_n)=n+e-(n+e)^{1/n}-n=e-(n+e)^{1/n}\ge 0 car pour n2\displaystyle n\ge2, (n+e)1/n=e1nln(n+e)e\displaystyle (n+e)^{1/n}=e^{\frac1n \ln(n+e)}\le e. On en déduit que xncn\displaystyle x_n\le c_n. Ainsi bnxncn\displaystyle b_n\le x_n\le c_n. Comme on a n1/n=e1nln(n)n1\displaystyle n^{1/n}=e^{\frac1n \ln(n)}\xrightarrow[n\to\infty]{}1 et (n+e)1/n=e1nln(n+e)n1\displaystyle (n+e)^{1/n}=e^{\frac1n \ln(n+e)}\xrightarrow[n\to\infty]{}1, il vient que la suite (xn)\displaystyle (x_n) converge vers 1\displaystyle 1.
    Solution bis — Fixons ε>0\displaystyle \varepsilon>0. On a limnPn(1+ε)=+\displaystyle \lim_{n\to\infty}P_n(1+\varepsilon)=+\infty, donc à partir d’un rang n0\displaystyle n_0 on a Pn(1+ε)>0\displaystyle P_n(1+\varepsilon)>0. Ainsi pour nn0\displaystyle n\geq n_0, 1xn1+ε\displaystyle 1\leq x_n \leq 1+\varepsilon. Ceci montre que limnxn=1\displaystyle \lim_{n\to\infty}x_n=1.
  3. Par la question 2), on obtient l’encadrement suivant :e1nln(n)1xn1e1nln(n+e)1.e^{\frac1n \ln(n)}-1\le x_n-1\le e^{\frac1n \ln(n+e)}-1. On peut alors utiliser des D.L. de exp\displaystyle \exp au voisinage de 0\displaystyle 0 car 1nln(n)0\displaystyle \frac1n \ln(n)\to 0. Alors e1nln(n)1=1+1nln(n)+o(1nln(n))1=1nln(n)+o(1nln(n))\displaystyle e^{\frac1n \ln(n)}-1=1+\frac1n \ln(n)+o\left(\frac1n \ln(n)\right)-1=\frac1n \ln(n)+o\left(\frac1n \ln(n)\right). De même e1nln(n+e)1=1+1nln(n+e)+o(1nln(n+e))1=1nln(n)+o(1nln(n)),\begin{aligned} e^{\frac1n \ln(n+e)}-1&=1+\frac1n \ln(n+e)+o\left(\frac1n \ln(n+e)\right)-1\\ &=\frac1n \ln(n)+o\left(\frac1n \ln(n)\right),\end{aligned} car 1nln(n+e)=1nln(n(1+e/n))=1nln(n)+1nln(1+e/n)\displaystyle \frac1n \ln(n+e)=\frac1n \ln(n(1+e/n))=\frac1n \ln(n)+\frac1n\ln(1+e/n) et ln(1+e/n)=o(ln(n))\displaystyle \ln(1+e/n)=o(\ln(n)). Par conséquent : xn1ln(n)n.x_n-1\sim \frac{\ln(n)}{n}.
    Solution bis — On cherche un équivalent de yn=xn1\displaystyle y_n=x_n-1. On sait déjà que yn0\displaystyle y_n\geq 0 et que yn0\displaystyle y_n\to 0.
    L’égalité xnnxn=n\displaystyle x_n^n-x_n=n donne (1+yn)n=yn+n+1\displaystyle (1+y_n)^n=y_n+n+1. Comme yn0\displaystyle y_n\to 0 ceci entraîne que (1+yn)nn\displaystyle (1+y_n)^n\sim n. Comme ces suites tendent vers +\displaystyle +\infty on a donc nln(1+yn)ln(n) ()\displaystyle n\ln(1+y_n)\sim \ln(n)~^{(\star)}, donc nynln(n)\displaystyle ny_n\sim\ln(n), et finalement xn1ln(n)n.x_n-1\sim\frac{\ln(n)}n.
    ()\displaystyle ^{(\star)} C’est un fait classique : si (an)\displaystyle (a_n) et (bn)\displaystyle (b_n) sont équivalentes, strictement positives, et tendent vers 1\displaystyle \ell\neq 1, alors ln(an)ln(bn)=1+ln(an/bn)ln(bn)1+0=1\displaystyle \frac{\ln(a_n)}{\ln(b_n)}= 1+\frac{\ln(a_n/b_n)}{\ln(b_n)}\to1+\frac 0\ell=1, donc ln(an)ln(bn)\displaystyle \ln(a_n)\sim\ln(b_n).
  4. \displaystyle \bullet On vérifie facilement que xPn+1(x)Pn(x)\displaystyle x\mapsto P_{n+1}(x)-P_n(x) est strictement croissant sur [1;+[\displaystyle [1;+\infty[. Ce polynôme vaut 1\displaystyle -1 en x=0\displaystyle x=0, et tend vers +\displaystyle +\infty en +\displaystyle +\infty. Il s’annule donc en un unique réel un\displaystyle u_n sur [1;+[\displaystyle [1;+\infty[. Il suffit de montrer que Pn(un)0\displaystyle P_n(u_n)\leq 0. En effet dans ce cas, on a xnun\displaystyle x_n\geq u_n, donc Pn+1(xn)Pn(xn)=0=Pn+1(xn+1)\displaystyle P_{n+1}(x_n)\geq P_n(x_n)=0=P_{n+1}(x_{n+1}). Comme Pn+1\displaystyle P_{n+1} est strictement croissante sur [1;+[\displaystyle [1;+\infty[, on en déduit que xnxn+1\displaystyle x_n\geq x_{n+1}.
    \displaystyle \bullet Montrons donc que Pn(un)0\displaystyle P_n(u_n)\leq 0. yn\displaystyle y_n vérifie unn+1=unn+1\displaystyle u_n^{n+1} = u_n^n+1, donc unn=1un1\displaystyle u_n^n=\frac{1}{u_n-1}.
    Ainsi Pn(un)=1un1unn\displaystyle P_n(u_n)=\frac{1}{u_n-1}-u_n-n, du signe de un2+(1n)un+1+n\displaystyle -u_n^2+(1-n)u_n+1+n.
    (…la fin de la solution bientôt…)

Remarque — La monotonie de (xn)\displaystyle (x_n) n’est pas évidente à étudier. En effet, remble pas bien se goupiller. Écrivons xn+1n+1=xn+1+n+1\displaystyle x_{n+1}^{n+1}=x_{n+1}+n+1. D’où xn+1n+1xnn=xn+1xn+1\displaystyle x_{n+1}^{n+1}-x_n^n=x_{n+1}-x_n+1. Comme xn+1>1\displaystyle x_{n+1}>1, il vient xn+1n+1xnn>xn+1nxnn\displaystyle x_{n+1}^{n+1}-x_n^n>x_{n+1}^{n}-x_n^n. On a alors envie d’utiliser la formule anbn\displaystyle a^n-b^n mais on arrive pas non plus à déterminer le signe de xn+1xn\displaystyle x_{n+1}-x_n. Supposer xn+1xn>0\displaystyle x_{n+1}-x_n>0 n’induit pas non plus de contradiction.

Exercice 419 ⭐️⭐️⭐️ Sinus itéré, Sup/L1

Soit (un)\displaystyle (u_n) la suite définie par u0]0;π/2]\displaystyle u_0\in]0;\pi/2] et un+1=sin(un)\displaystyle u_{n+1}=\sin(u_n).

  1. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) converge vers 0\displaystyle 0 en décroissant.
  2. Montrer que si une suite (an)\displaystyle (a_n) converge vers L0\displaystyle L\neq 0, alors k=0n1aknL\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1}a_k\sim nL.
  3. Montrer que 1un+121un2\displaystyle \frac{1}{u_{n+1}^2}-\frac{1}{u_{n}^2} converge vers une valeur à préciser
  4. En déduire un équivalent simple de un\displaystyle u_n quand n\displaystyle n\to\infty.
  1. Appliquer les méthodes de cours sur les suites récurrentes, c’est ici un cas d’école.
  2. Revenir aux définitions. Majorer la distance entre 1nk=0n1ak\displaystyle \frac 1n \sum_{k=0}^{n-1}a_k et L\displaystyle L.
  3. Le comportement de sin\displaystyle \sin en 0\displaystyle 0 est en jeu 👉 Développement limité.
  4. Télescopage.

Notons I=]0;π/2]\displaystyle I=]0;\pi/2].

  1. u0I\displaystyle u_0\in I, et l’intervalle I\displaystyle I est stable par la fonction sin\displaystyle \sin, donc : nN, unI\displaystyle \forall n\in\N,~u_n\in I.
    Pour xI\displaystyle x\in I, on a sin(x)x\displaystyle \sin(x)\leq x (inégalité classique, aisée à démontrer). Donc nN, un+1un\displaystyle \forall n\in\N,~u_{n+1}\leq u_n.
    Ainsi (un)\displaystyle (u_n) est décroissante minorée (par 0) donc elle converge vers un réel [0;π/2[\displaystyle \ell\in[0;\pi/2[.
    un+1=sin(un)\displaystyle u_{n+1}=\sin(u_n) donne quand n\displaystyle n\to\infty : =sin()\displaystyle \ell=\sin(\ell). On vérifie aisément que l’équation x=sin(x)\displaystyle x=\sin(x) n’a que 0\displaystyle 0 comme solution sur I\displaystyle I (examiner les variations de xxsin(x)\displaystyle x\mapsto x-\sin(x)). Donc =0\displaystyle \ell=0.
  2. On n’a pas le choix, on doit revenir aux définitions pour montrer que 1nk=0n1akL0\displaystyle \left|\frac 1n \sum_{k=0}^{n-1}a_k-L\right|\to 0.
    Soit ε>0\displaystyle \varepsilon>0, et un rang n0\displaystyle n_0 tel que nn0, anLε\displaystyle \forall n\geq n_0,~|a_n-L|\leq\varepsilon. Alors pour nn0\displaystyle n\geq n_0,
    1nk=0n1akL=1nk=0n1(akL)1n(k=0n01akL+k=n0n1akL)Cn+nn0n εCn+ε,avec C=k=0n01akL.\begin{aligned} \left|\frac 1n \sum_{k=0}^{n-1}a_k-L\right| & = \frac 1n\left| \sum_{k=0}^{n-1}(a_k-L)\right|\\ & \leq \frac 1n\left(\sum_{k=0}^{n_0-1}|a_k-L|+\sum_{k=n_0}^{n-1}|a_k-L|\right)\\ &\leq \frac Cn+\frac{n-n_0}{n}~\varepsilon \leq \frac Cn+\varepsilon,\qquad\text{avec } C=\sum_{k=0}^{n_0-1}|a_k-L|. \end{aligned} Ainsi si n\displaystyle n est plus grand que max(n0,C/ε)\displaystyle \max(n_0,C/\varepsilon), on a 1nk=0n1akL2ε\displaystyle \left|\frac 1n \sum_{k=0}^{n-1}a_k-L\right|\leq 2\varepsilon.
  3. On a 1un+121un2=un2sin2(un)un2sin2(un)\displaystyle \frac{1}{u_{n+1}^2}-\frac{1}{u_{n}^2} = \frac{u_n^2-\sin^2(u_n)}{u_n^2 \sin^2(u_n)}.
    Un développement limité donne x2sin2(x)=x0x2(x2x4/3+o(x4))x0x4/3\displaystyle x^2-\sin^2(x) \underset{x\to 0}=x^2-(x^2-x^4/3+o(x^4))\underset{x\to 0}\sim x^4/3.
    Comme un0\displaystyle u_n\to 0 (et que par conséquent sin(un)un\displaystyle \sin(u_n)\sim u_n), on a donc 1un+121un2un4/3un4=13\displaystyle \frac{1}{u_{n+1}^2}-\frac{1}{u_{n}^2} \sim\frac{u_n^4/3}{u_n^4}=\frac 13.
  4. Par télescopage, k=0n1(1uk+121uk2)=1un21u02\displaystyle \sum_{k=0}^{n-1} \left(\frac{1}{u_{k+1}^2}-\frac{1}{u_{k}^2}\right)=\frac{1}{u_n^2}-\frac{1}{u_0^2}.
    Ainsi d’après 2., on a : 1un21u02n3\displaystyle \frac{1}{u_n^2}-\frac{1}{u_0^2}\sim\frac n3. Comme 1un2\displaystyle \frac{1}{u_n^2}\to\infty, on a donc 1un2n3\displaystyle \frac{1}{u_n^2}\sim\frac n3. Finalement un3n\displaystyle u_n\sim\sqrt{\frac 3n}.

Remarque — la question 2, pour les MP, est une conséquence directe de la propriété de cours sur la sommation des relations de comparaison.

Exercice 448 ⭐️⭐️ Comparaisons asymptotiques, Sup/L1

Ces suites tendent vers +\displaystyle +\infty. Comparez-les asymptotiquement : qui est négligeable devant qui ?
an=(2n)nbn=nncn=(2n)!a_n = (2n)^n \quad \quad \quad b_n = n^n \quad \quad \quad c_n = (2n)! dn=n!en=n2n.d_n = n! \quad \quad \quad e_n = n^{2n}.

Faire les limites des quotients !

Nous allons montrer que : dnbnancnend_n\ll b_n\ll a_n\ll c_n\ll e_n (où la notation unvn\displaystyle u_n\ll v_n signifie : un=o(vn)\displaystyle u_n=o(v_n)).

\displaystyle \bullet dnbn=k=1nkn=1nk=2nkn1n\displaystyle \frac{d_n}{b_n}=\prod_{k=1}^n\frac kn = \frac 1n\prod_{k=2}^n\frac kn\leq\frac 1n,\displaystyle \quad donc dnbn0\displaystyle \frac{d_n}{b_n}\to 0.

\displaystyle \bullet bnan=(n2n)n=12n0\displaystyle \frac{b_n}{a_n}=\left(\frac{n}{2n}\right)^n = \frac{1}{2^n}\to 0,\displaystyle \quad donc bnan0\displaystyle \frac{b_n}{a_n}\to 0.

\displaystyle \bullet ancn=2nn!(2nn)2nn!0, \displaystyle \frac{a_n}{c_n}=\frac{2^n}{n!\binom{2n}{n}}\le \frac{2^n}{n!}\to 0,~ par croissance comparée.

\displaystyle \bullet La dernière demande un peu de travail.
Si on connaît la formule de Stirling : cnen4πn(2ne)2nn2n=4πn(2e)2n0\displaystyle \frac{c_n}{e_n}\sim \frac{\sqrt{4\pi n}\left(\frac{2n}{e}\right)^{2n}}{n^{2n}}=\sqrt{4\pi n}\left(\frac 2e\right)^{2n}\to 0, par croissance comparée.
Si on ne la connaît pas, on s’en sort avec une comparaison série intégrale.
On a : ln(cnen)=k=12nln(k)2nln(n)\displaystyle \ln\left(\frac{c_n}{e_n}\right)=\sum_{k=1}^{2n}\ln(k)-2n\ln(n).
Or une comparaison série/intégrale donne
k=12nln(k)12n+1ln(t)dt=(2n+1)ln(2n+1)2n.\begin{aligned} \sum_{k=1}^{2n}\ln(k) & \le \int_1^{2n+1}\ln(t)dt\\ & \quad =(2n+1)\ln(2n+1)-2n. \\ \end{aligned} Ainsi
ln(cnen)ln(2n+1)+2nln(2+1n)2n2n(ln(2)1),\begin{aligned} \ln\left(\frac{c_n}{e_n}\right) & \le \ln(2n+1)+2n\ln\left(2+\frac 1n\right)-2n\\ & \quad \sim 2n(\ln(2)-1)\to-\infty,\\ \end{aligned}

donc cnen0\displaystyle \frac{c_n}{e_n}\to 0.

Exercice 488 ⭐️ Convergence de zn\displaystyle z^n, Sup/L1

Soit zC\displaystyle z\in\C. Montrer que la suite (zn)\displaystyle (z^n) converge vers 0\displaystyle 0 si z<1\displaystyle |z|<1 et ne converge pas si z1\displaystyle |z|\ge1 et z1\displaystyle z\neq 1.

  • Converger vers 0\displaystyle 0 👉 Majorer par quelquechose qui tend vers 0\displaystyle 0 ;
  • Diverger 👉 Minorer la suite ou des différences !

Soit z<1\displaystyle |z|<1. Alors znznn0\displaystyle |z^n|\le|z|^n\xrightarrow[n\to\infty]{}0. Donc la suite (zn)\displaystyle (z^n) converge vers 0\displaystyle 0 si z<1\displaystyle |z|<1.

Soit z1\displaystyle |z|\ge 1 et z1\displaystyle z\neq 1. Alors zn+1zn=znz1z1>0\displaystyle |z^{n+1}-z^n|=|z|^n|z-1|\ge|z-1|>0 car z1\displaystyle |z|\ge 1 et z1\displaystyle z\neq 1. Si la suite (zn)\displaystyle (z^n) convergeait, on aurait zn+1znn0\displaystyle |z^{n+1}-z^n|\xrightarrow[n\to\infty]{}0, ce qui n’est pas possible d’après l’inégalité précédente. Donc la suite diverge. Si z>1\displaystyle |z|>1, on peut même dire qu’elle diverge vers +\displaystyle +\infty.

Exercice 503 ⭐️⭐️ Valeurs d’Adhérence, Spé/L2

Soit (un)n1\displaystyle (u_n)_{n \ge 1} une suite de réels. On suppose que tout x]0,1]\displaystyle x \in ]0,1] est valeur d’adhérence de (un)n0\displaystyle (u_n)_{n \ge 0}. Montrer que 0\displaystyle 0 est aussi valeur d’adhérence de la suite.

On s’attend à jongler avec des epsilons… Pour éviter la migraine et y voir plus clair, il vaut mieux commencer par poser les définitions calmenent.

On cherche à construire une sous-suite (unk)k1\displaystyle (u_{n_k})_{k \ge 1} convergeant vers 0\displaystyle 0. Ici on va construire, de proche en proche, la sous-suite de telle sorte que unk[0,1k]\displaystyle u_{n_k} \in \left[0,\frac{1}{k}\right].

On peut commencer par un petit rappel : soit x\displaystyle x une valeur d’adhérence de (un)n1\displaystyle (u_n)_{n \ge 1}, ε>0\displaystyle \varepsilon>0 et N1\displaystyle N \ge 1. Il existe un indice N>N\displaystyle N' > N tel que uN[xε,x+ε]\displaystyle u_{N'} \in [x-\varepsilon,x+\varepsilon]. En effet, soit (unk)k1\displaystyle (u_{n_k'})_{k \ge 1} une suite extraite de limite x\displaystyle x. Par définition de la limite il existe un indice K1\displaystyle K \ge 1 tel que unk[xε,x+ε]\displaystyle u_{n_k'} \in [x-\varepsilon,x+\varepsilon] pour tout kK\displaystyle k \ge K. Il suffit alors de choisir N=nk\displaystyle N' = n_k' avec k\displaystyle k suffisamment grand pour qu’on ait à la fois nk>N\displaystyle n_k' > N et kK\displaystyle k \ge K.

En appliquant le résultat à x=1/2\displaystyle x=1/2, ε=1/2\displaystyle \varepsilon = 1/2 et N=0\displaystyle N=0, on a l’existence d’un indice N\displaystyle N' tel que uN[0,1]\displaystyle u_N' \in [0,1]. On pose alors n1=N\displaystyle n_1 = N'.

Supposons construits un1,,unk1\displaystyle u_{n_1},\ldots,u_{n_{k-1}}. On applique maintenant le résultat intermédiaire à x=12k\displaystyle x=\frac{1}{2k}, ε=12k\displaystyle \varepsilon=\frac{1}{2k} et N=nk1\displaystyle N=n_{k-1}. Il existe alors un indice N>nk1\displaystyle N' > n_{k-1} tel que uN[12k12k,12k+12k]=[0,1k]\displaystyle u_{N'} \in \left[\frac{1}{2k}-\frac{1}{2k},\frac{1}{2k}+\frac{1}{2k}\right] = \left[0,\frac{1}{k}\right]. On pose alors nk=N\displaystyle n_k=N'.

Par comparaison, il est clair que la suite (unk)k1\displaystyle (u_{n_k})_{k \ge 1} ainsi construite est de limite nulle.

Exercice 530 ⭐️⭐️⭐️ un+1=un+n2\displaystyle u_{n+1}=\sqrt{u_n+n^2}, X PC, Sup/L1

Oral X ESPCI - PC 2014

Soit (un)n0\displaystyle (u_n)_{n\ge 0} la suite définie par u0=aR+\displaystyle u_0=a\in\R_+ et nN\displaystyle \forall n\in\N, un+1=un+n2\displaystyle u_{n+1}=\sqrt{u_n+n^2}.
Déterminer un développement asymptotique de un\displaystyle u_n de la forme un=nαn+β+γn+o(1/n)\displaystyle u_n \underset{n\to\infty}=\alpha n+\beta+\frac{\gamma}{n}+o(1/n).

Commencer par montrer que un=O(n)\displaystyle u_n=\mathcal O(n).
Ensuite, injecter cette information dans la relation de récurrence : qu’obtient-on ?
Ensuite, recommencer…

Première remarque, pas indispensable.
La suite (un)\displaystyle (u_n) est clairement positive, et donc : n1,un(n1)2=n1\displaystyle \forall n\ge 1, u_n\ge\sqrt{(n-1)^2}=n-1, donc un+\displaystyle u_n\to +\infty.

La relation de récurrence va nous permettre d’obtenir des informations de plus en plus précises. Le plus délicat est peut-être de trouver le point de départ. Notre premier point sera donc d’obtenir une majoration grossière de un\displaystyle u_n.

  • Montrons par récurrence, que()\displaystyle ^{(*)} unn+a\displaystyle u_n\leq n+a pour tout n1\displaystyle n\ge 1.
    Pour n=1\displaystyle n=1, u1=aa+1\displaystyle u_1=\sqrt a\le a+1 (en effet si a1\displaystyle a\le 1 alors a1\displaystyle \sqrt a\le 1, et sinon aa\displaystyle \sqrt a\le a) .
    Supposons maintenant que pour un n1\displaystyle n\ge 1, on ait unn+a\displaystyle u_n\le n+a. Alors un+1n2+n+a=n+n(1+1n+an21).u_{n+1}\le \sqrt{n^2+n+a}=n+n\left(\sqrt{1+\frac 1n+\frac{a}{n^2}}-1\right). Une application de l’I.A.F., ou la concavité de tt\displaystyle t\mapsto\sqrt t pour ceux qui connaissent, donnent 1+t1t2\displaystyle \sqrt{1+t}-1\leq\frac t2 pour tout t0\displaystyle t\ge 0. Donc
    un+1n+n(12n+a2n2)=n+12+a2nn+1+a.u_{n+1}\le n+n\left(\frac 1{2n}+\frac{a}{2n^2}\right)=n+\frac 12+\frac{a}{2n}\leq n+1+a.
  • On a un+1=n2+O(n)=n1+O(1/n)=n+O(1)\displaystyle u_{n+1}=\sqrt{n^2+\mathcal O(n)}=n\sqrt{1+\mathcal O(1/n)}=n+\mathcal O(1).
    Donc un+1n\displaystyle u_{n+1}\sim n, et par conséquent unn1n\displaystyle u_{n}\sim n-1\sim n.
  • On injecte cette information dans la relation de récurrence :
    un+1=n2+n+O(1)=n1+1n+O(1/n2)=n(1+12n+O(1/n2))=n+12+O(1/n),\begin{aligned} u_{n+1} &=\sqrt{n^2+n+\mathcal O(1)}\\ & =n\sqrt{1+\frac 1n+\mathcal O(1/n^2)}\\ &=n\left(1+\frac{1}{2n}+\mathcal O(1/n^2)\right)\\ &=n+\frac{1}{2}+\mathcal O(1/n), \end{aligned}
    et donc un=n12+O(1/n)\displaystyle u_n=n-\frac{1}{2}+\mathcal O(1/n).
  • On injecte à nouveau (on rappelle 1+x=x01+x2x28\displaystyle \sqrt{1+x}\underset{x\to 0}= 1+\frac x2-\frac{x^2}{8}):
    un+1=n2+n12+O(1/n)=n1+1n12n2+O(1/n3)=n(1+12n14n218n2+O(1/n3))=n+1238n+o(1/n),\begin{aligned} u_{n+1} &=\sqrt{n^2+n-\frac 12+\mathcal O(1/n)}\\ & =n\sqrt{1+\frac 1n-\frac{1}{2n^2}+\mathcal O(1/n^3)}\\ &=n\left(1+\frac{1}{2n}-\frac{1}{4n^2}-\frac{1}{8n^2}+\mathcal O(1/n^3)\right)\\ &=n+\frac{1}{2}-\frac{3}{8n}+o(1/n), \end{aligned}
    et donc un=n1238n+o(1/n)\displaystyle u_n=n-\frac{1}{2}-\frac{3}{8n}+o(1/n). En effet 1n1=1n+o(1/n)\displaystyle \frac{1}{n-1}=\frac 1n+o(1/n).

()\displaystyle {(*)} Ce n’était certes pas la seule possibilité, et peut-être pas la plus simple, en tout cas je m’en suis sorti comme ça 😄

Exercice 531 ⭐️⭐️ un+1=un2n\displaystyle u_{n+1}=\frac{u_n^2}{\sqrt n}, Sup/L1

Soit a0\displaystyle a\ge 0, et (un)n1\displaystyle (u_n)_{n\ge 1} la suite définie par u1=a\displaystyle u_1=a et n1, un+1=un2n\displaystyle \forall n\ge 1,~u_{n+1}=\frac{u_n^2}{\sqrt n}.

  1. Montrer que : n2,  ln(un)2n=12ln(a)14k=1n1ln(k)2k.\displaystyle \forall n\ge 2,~~\frac{\ln(u_n)}{2^n}=\frac 12 \ln(a) - \frac 14\sum_{k=1}^{n-1}\frac{\ln(k)}{2^k}.
  2. Justifier que la série n1ln(n)2n\displaystyle \sum_{n\ge 1}\frac{\ln(n)}{2^n} est convergente.
  3. On pose W=n=1wn\displaystyle W=\sum_{n=1}^{\infty} w_n. Montrer que (un)n1\displaystyle (u_n)_{n\ge 1} converge si et seulement si a<eW/2\displaystyle a<e^{W/2}.
  1. Somme et relation de récurrence 👉 Télescopage.
  2. Comparaison avec séries de référence (Riemann par exemple)
  3. Commencer par traduire ce que signifie cette condition pour les un\displaystyle u_n.
  1. La relation de l’énoncé donne :
    k1,  ln(uk+1)=2ln(uk)12ln(k).\forall k\ge 1,~~\ln(u_{k+1})=2\ln(u_k)-\frac{1}{2}\ln(k). En divisant par 2k+1\displaystyle 2^{k+1}, et en sommant, il vient :
    k=1n1(ln(uk+1)2k+1ln(uk)2k)=k=1n1ln(k)2k+2.\sum_{k=1}^{n-1}\left(\frac{\ln(u_{k+1})}{2^{k+1}}-\frac{\ln(u_{k})}{2^{k}}\right) = - \sum_{k=1}^{n-1}\frac{\ln(k)}{2^{k+2}}. ln(un)2n12ln(a)=14k=1n1ln(k)2k.\frac{\ln(u_n)}{2^n}-\frac 12 \ln(a) = - \frac 14\sum_{k=1}^{n-1}\frac{\ln(k)}{2^{k}}.
  2. Avec, par exemple ln(n)=o(n)\displaystyle \ln(n)=o(n), et 12n=o(1/n3)\displaystyle \frac{1}{2^n}=o(1/n^3), il vient ln(n)2n=o(1/n2)\displaystyle \frac{\ln(n)}{2^n}=o(1/n^2).
    D’où la conclusion, par comparaison avec une série de Riemann convergente.
  3. Essayons de traduire ce que dit la condition a<eW/2\displaystyle a<e^{W/2} pour notre suite :
    a<eW/2W2>ln(a)n0>1 : 12k=1n01ln(k)2k>ln(a)n0>1 : ln(un0)2n0<0(d’apreˋs 1.)n0>1 : un0<1.\begin{aligned} a<e^{W/2} & \Leftrightarrow \frac W2>\ln(a)\\ &\Leftrightarrow \exists n_0>1~:~ \frac 12 \sum_{k=1}^{n_0-1}\frac{\ln(k)}{2^k}>\ln(a)\\ &\Leftrightarrow \exists n_0>1~:~ \frac{\ln(u_{n_0})}{2^{n_0}}<0\qquad\qquad \text{(d'après 1.)}\\ &\Leftrightarrow \exists n_0>1~:~ u_{n_0}<1. \end{aligned} Étudions donc la suite dans les deux cas suivants :
  • premier cas : n0>1 : un0<1\displaystyle \exists n_0>1~:~ u_{n_0}<1.
    Dans ce cas, par récurrence immédiate, on a 0un<1\displaystyle 0\le u_n<1 pour tout nn0\displaystyle n\ge n_0.
    Par conséquent un+11n\displaystyle u_{n+1}\le \frac{1}{\sqrt n} pour tout nn0\displaystyle n\ge n_0, et donc limun=0\displaystyle \lim u_n=0.
  • deuxième cas : n0>1 : un01\displaystyle \forall n_0>1~:~ u_{n_0}\ge 1.
    Dans ce cas, pour tout nn0\displaystyle n\ge n_0, un+1=un2n1\displaystyle u_{n+1}=\frac{u_n^2}{\sqrt n}\ge 1.
    Donc pour tout nn0\displaystyle n\ge n_0, unn1/4\displaystyle u_{n}\ge n^{1/4}, et donc limun=+\displaystyle \lim u_n=+\infty.

Exercice 533 ⭐️⭐️ Moyenne orbitale et spatiale, Sup/L1

Un petit pas vers la théorie ergodique…
On pose : T={zC,z=1}\displaystyle T=\{z\in\mathbb C, |z|=1\}, ϕ(z)=θz\displaystyle \phi(z)=\theta z, θ=e2πiω\displaystyle \theta=e^{2\pi i\omega}ω\displaystyle \omega est irrationnel, et enfin ϕn:=ϕϕ\displaystyle \phi^n:=\phi\circ\cdots\circ\phi (n\displaystyle n fois).
Soit f\displaystyle f une fonction continue de T\displaystyle T dans C\displaystyle \mathbb C. On note : zT, SN(f)(z)=1Nn=0N1f(ϕnz)\displaystyle \forall z\in T,\ S_N(f)(z)=\frac{1}{N}\sum_{n=0}^{N-1}f(\phi^n z). On appelle moyenne orbitale de f\displaystyle f sur T\displaystyle T la quantité si elle existe : S(f)(z)=limNSN(f)(z)\displaystyle S(f)(z)=\lim_{N\rightarrow\infty}S_N(f)(z), et moyenne spatiale la quantité : f=01f(e2πit)dt\displaystyle \overline{f}=\int_0^1 f(e^{2\pi it})dt.

  1. Que représente l’application ϕ\displaystyle \phi ?
  2. On suppose ici que f(z)=k=ppakzk\displaystyle f(z)=\sum_{k=-p}^{p}a_k z^kpN\displaystyle p\in\N^* et (ak)\displaystyle (a_k) est une suite de complexes.
    Calculer f\displaystyle \overline{f}, SN(f)(z)\displaystyle S_N(f)(z) et S(f)(z)\displaystyle S(f)(z). Que remarquez-vous encore une fois ?
  3. Penser maintenant f\displaystyle f comme “une information” à peu près quelconque sur T\displaystyle T et que vous avez encore l’égalité des moyenne orbitale et spatiale. Expliquer alors ce que ϕ\displaystyle \phi à tendance à faire.
  1. ϕ\displaystyle \phi est la rotation d’angle 2πω\displaystyle 2\pi \omega.

Exercice 534 ⭐️⭐️⭐️ Vitesse de convergence des sommes de Riemann, X PSI, Sup/L1/Classique

Si f:[0,1]R\displaystyle f:[0,1]\to \R est continue, on sait que les sommes de Riemann 1nk=0n1f(xk,n)\displaystyle \frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f(x_{k,n}), où xk,n[kn,k+1n[\displaystyle x_{k,n}\in\left[\frac{k}{n},\frac{k+1}{n}\right[, convergent vers I=01f(x)dx\displaystyle I=\int_0^1f(x)dx. Notons Sn=1nk=0n1f(kn).S_n=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{k}{n}\right).
Si fC1\displaystyle f\in C^1, on peut avoir la vitesse de convergence de Sn\displaystyle S_n vers I\displaystyle I et le premier terme du développement asymptotique. Montrer que dans ce cas : ISn=12n(f(1)f(0))+o(1/n).I-S_n=\frac{1}{2n}(f(1)-f(0))+o(1/n).
Remarque — Plus f\displaystyle f est régulière, i.e. C2\displaystyle C^2, C3\displaystyle C^3, etc, plus la précision est bonne, i.e. on obtient les autres termes du développement asymptotique.

Intégrale-Somme 👉 Ecrire l’intégrale comme une somme ;
💡 Utiliser une primitive F\displaystyle F de f\displaystyle f (sinon on peut galérer longtemps 😫).

Soit F\displaystyle F une primitive de f\displaystyle f. Alors I=F(1)F(0)=k=0n1(F(k+1n)F(kn)).I=F(1)-F(0)=\sum_{k=0}^{n-1}\left(F\left(\frac{k+1}{n}\right)-F\left(\frac{k}{n}\right)\right). La formule de Taylor-Lagrange à l’ordre 2\displaystyle 2 pour F\displaystyle F qui est C2\displaystyle C^2 donne : F(k+1n)F(kn)=1nf(kn)+12n2f(xk,n),F\left(\frac{k+1}{n}\right)-F\left(\frac{k}{n}\right)=\frac1nf\left(\frac{k}{n}\right)+\frac{1}{2n^2}f'(x_{k,n}), avec xk,n]kn,k+1n[\displaystyle x_{k,n}\in\left]\frac{k}{n},\frac{k+1}{n}\right[, car F=f\displaystyle F'=f et F=f\displaystyle F''=f'. Donc en sommant on a ISn=12n2k=0n1f(xk,n).()I-S_n=\frac{1}{2n^2}\sum_{k=0}^{n-1}f'(x_{k,n}). \quad (\star) Or f\displaystyle f' est continue car f\displaystyle f est C1\displaystyle C^1, donc on peut utiliser le résultat de convergence des sommes de Riemann rappelé au début de l’exercice, que l’on écrit sous la forme : 1nk=0n1f(xk)=01f(x)dx+o(1).\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f'(x_k)=\int_0^1f'(x)dx+o(1). En injectant cette identité dans ()\displaystyle (\star) et en notant que 01f(x)dx=f(1)f(0)\displaystyle \int_0^1f'(x)dx=f(1)-f(0), on obtient le résultat.

Exercice 535 ⭐️ 1n(n+1)\displaystyle \sum\frac{1}{n(n+1)}, Terminale/Sup/L1

Calculer uN=n=1N1n(n+1)\displaystyle u_N=\sum_{n= 1}^N\frac{1}{n(n+1)} et sa limite. En utilisant uN\displaystyle u_N montrer que la suite vN=n=1N1n2\displaystyle v_N=\sum_{n= 1}^N\frac{1}{n^2} converge vers une limite 2\displaystyle \le 2.

A bien connaître : 1n(n+1)=1n1n+1\displaystyle \frac{1}{n(n+1)}=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}.

En écrivant 1n(n+1)=1n1n+1\displaystyle \frac{1}{n(n+1)}=\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}, on en déduit par téléscopage que uN=11N+1N1.u_N=1-\frac{1}{N+1}\xrightarrow[N\to\infty]{} 1.

On a pour N2\displaystyle N\ge2, vN1+n=2N1n(n1)=1+uN12.\begin{aligned} v_N & \le 1+ \sum_{n= 2}^N\frac{1}{n(n-1)} \\ & \quad =1+u_{N-1} \le 2. \\ \end{aligned}

Donc la suite (vN)\displaystyle (v_N) est croissante et majorée par 2\displaystyle 2. Ainsi (vN)\displaystyle (v_N) converge vers une limite 2\displaystyle \le 2.

Remarque — On connaît la valeur exacte de cette limite ! C’est π26106<2\displaystyle \frac{\pi^2}{6}\simeq\frac{10}{6}<2. Voir cet exercice classique des DM de sup 😉

Exercice 543 ⭐️⭐️⭐️ Méthode de Newton, Sup/L1

Soit f\displaystyle f de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur un intervalle I\displaystyle I. On suppose que :

  • f<0\displaystyle f'<0 sur I\displaystyle I;
  • f\displaystyle f est convexe;
  • f\displaystyle f s’annule en un unique point αI\displaystyle \alpha\in I.

On considère la suite (un)\displaystyle (u_n) définie par son premier terme u0I];α]\displaystyle u_0\in I\cap]-\infty;\alpha], et pour tout nN\displaystyle n\in\N: un+1=unf(un)f(un).u_{n+1}=u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}. Montrer que (un)\displaystyle (u_n) est bien définie et qu’elle converge vers α\displaystyle \alpha.

C’est une suite récurrente 👉 étudier la monotonie pour commencer.

\displaystyle \bullet Montrons que pour tout nN\displaystyle n\in\N, on a l’implication : (unI et unα)(unun+1α).\bigg(u_n\in I\text{ et }u_n\leq \alpha\bigg)\Rightarrow\bigg(u_n\leq u_{n+1}\leq\alpha\bigg).Supposons unI et unα\displaystyle u_n\in I\text{ et }u_n\leq \alpha. Alors f\displaystyle f étant convexe et dérivable, on a : tI,f(un)(tun)+f(un)f(t).\forall t\in I, f'(u_n)(t-u_n)+f(u_n)\leq f(t). En particulier en prenant t=α\displaystyle t=\alpha on obtient : f(un)(αun)f(un)f'(u_n)(\alpha-u_n)\leq -f(u_n) donc (attention au fait que f(un)<0\displaystyle f'(u_n)<0) : αunf(un)f(un)=un+1.\alpha\ge u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}=u_{n+1}. De plus dans la relation un+1=unf(un)f(un)\displaystyle u_{n+1}=u_n-\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}, on remarque que f(un)f(α)=0\displaystyle f(u_n)\ge f(\alpha)=0 car f\displaystyle f est décroissante, et que f(un)<0\displaystyle f'(u_n)<0, donc un+1un\displaystyle u_{n+1}\ge u_n.
\displaystyle \bullet Par récurrence, on obtient donc les inégalités u0u1u2α\displaystyle u_0\le u_1\le u_2\le\dots\le\alpha.
La suite (un)\displaystyle (u_n) est donc croissante et majorée par α\displaystyle \alpha.
Elle converge donc vers un réel [u0;α]\displaystyle \ell\in [u_0;\alpha].
Comme f\displaystyle f est convexe, f\displaystyle f' est croissante et donc 0f(un)f(u0)f(un)f(un).0\ge \frac{f(u_n)}{f'(u_0)}\ge\frac{f(u_n)}{f'(u_n)}. Or f(un)f(un)=unun+1=0\displaystyle \frac{f(u_n)}{f'(u_n)} = u_n-u_{n+1}\to\ell-\ell=0.
Donc par encadrement, f(un)f(u0)0\displaystyle \frac{f(u_n)}{f'(u_0)}\to 0 et donc f(un)0\displaystyle f(u_n)\to 0.
Conclusion. f\displaystyle f étant continue on a donc f()=0\displaystyle f(\ell)=0, et par unicité, =α\displaystyle \ell=\alpha.

Exercice 550 ⭐️⭐️⭐️ Fibonacci modulo 10, MP/Spé

On définit la suite de Fibonacci (Fn)n0\displaystyle (F_n)_{n \ge 0} par F0=0\displaystyle F_0=0, F1=1\displaystyle F_{1}=1 puis par la relation de récurrence Fn+2=Fn+Fn+1.F_{n+2}=F_n+F_{n+1}.
Soit dn\displaystyle d_n le dernier chiffre du nombre Fn\displaystyle F_n écrit en base 10. Montrer que la suite (dn)n0\displaystyle (d_n)_{n \ge 0} est périodique de période 60.

Dernier chiffre dans l’écriture décimale 👉 on pense à raisonner dans Z/10Z\displaystyle \mathbb{Z}/10\mathbb{Z}
Suite récurrente linéaire 👉 on tente une écriture matricielle de la récurrence !

Soit an=FnZ/10Z\displaystyle a_n = \overline{F_n} \in \mathbb{Z}/10\mathbb{Z} la classe de congruence modulo 10 de Fn\displaystyle F_n. Le chiffre dn\displaystyle d_n est l’unique représentant de la classe an\displaystyle a_n dans {0,,9}\displaystyle \{0,\ldots,9\}. On se ramène donc à prouver que la suite (an)n1\displaystyle (a_n)_{n \ge 1} est 60-périodique. Comme la projection ZZ/10Z\displaystyle \mathbb{Z} \rightarrow \mathbb{Z}/10\mathbb{Z} est un morphisme d’anneaux, la relation de récurrence sur les (Fn)n0\displaystyle (F_n)_{n \ge 0} implique que an+2=an+1+an,a_{n+2} = a_{n+1}+a_n, et on a a0=0\displaystyle a_0 = \overline{0} et a1=1\displaystyle a_1 = \overline{1}.

On écrit la relation de récurrence matriciellement par l’équation An+1=MAn,A_{n+1} = M A_n, avec An=(anan+1)A_n = \begin{pmatrix} a_n \\ a_{n+1} \\ \end{pmatrix} et M=(0111).M = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 1 \\ \end{pmatrix}. Ici la matrice M\displaystyle M est vue comme élément de l’anneau M2(Z/10Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/10\mathbb{Z}). Une récurrence sur p0\displaystyle p \ge 0 donne la formule An+p=MpAn.A_{n+p} = M^p A_n. Il s’agit donc de montrer que M60=I\displaystyle M^{60} = I (toujours dans M2(Z/10Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/10\mathbb{Z})). Par le théorème chinois, il suffit de vérifier que M60=I\displaystyle M^{60} = I dans M2(Z/2Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}) et dans M2(Z/5Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}). C’est une façon savante de dire qu’un coefficient de la matrice est congru à 1 (ou 0) modulo 10 si et seulement si il est congru à 1 (ou 0) modulo 2 et modulo 5.

Or un calcul direct (ou bien le théorème de Cayley-Hamilton !) donne la formule : M2=M+I.M^2 = M+I.
On en déduit que M3=M2+M=2M+I\displaystyle M^3=M^2+M=2M+I, donc que M3=I\displaystyle M^3=I dans M2(Z/2Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/2\mathbb{Z}), et toujours dans cet anneau on a donc M60=I20=I\displaystyle M^{60}= I^{20}=I.

Si on se place dans M2(Z/5Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/5\mathbb{Z}), il faut pousser les calculs plus loin. On calcule d’abord M4=(M+I)2=M2+2M+I=3M+2I,M^4 = (M+I)^2=M^2+2M+I = 3M+2I, d’où on déduit M5=3M2+2M=5M+3I=3I,M^5 = 3M^2+2M = 5M+3I = 3I, car 5=0\displaystyle 5=0 dans Z/5Z\displaystyle \mathbb{Z}/5\mathbb{Z}. On a alors M10=9I=I\displaystyle M^{10}=9I=-I, donc M20=I\displaystyle M^{20}=I et à plus forte raison M60=I\displaystyle M^{60}=I.

On a bien montré que M60=I\displaystyle M^{60}=I dans M2(Z/10Z)\displaystyle \mathcal{M}_2(\mathbb{Z}/10\mathbb{Z}), ce qui prouve que dn+60=dn\displaystyle d_{n+60}=d_n pour tout n0\displaystyle n \ge 0. Un examen détaillé du raisonnement (en particulier du fait que 3\displaystyle 3 et 20\displaystyle 20 sont premiers entre eux) montre que 60\displaystyle 60 est la plus petite période.

Le calcul de la période de Fn\displaystyle F_n modulo m\displaystyle m, où m2\displaystyle m \ge 2 est un entier, est toujours l’objet de profondes conjectures arithmétiques. Le cas m=10\displaystyle m=10 étudié dans cet exercice a été résolu par Lagrange en 1774.

Exercice 551 ⭐️⭐️⭐️ Enumération des rationnels, Spé/MP

On définit la suite d’entiers naturels (an)n0\displaystyle (a_n)_{n \ge 0} par a0=1\displaystyle a_0=1 et par les relations de récurrence : a2k+1=ak , a2k+2=ak+ak+1.a_{2k+1} = a_k \ , \ a_{2k+2} = a_k+a_{k+1}.

Montrer que l’application ϕ:n(an,an+1)\displaystyle \phi : n \mapsto (a_n,a_{n+1}) établit une bijection entre N\displaystyle \mathbb{N} et R={(p,q)(N)2 , pq=1}.\mathcal{R} = \{(p,q) \in (\mathbb{N}^*)^2 \ , \ p \wedge q = 1\}.

On commence par quelques remarques :

  • la suite (an)n0\displaystyle (a_n)_{n \ge 0} est à valeurs dans N\displaystyle \mathbb{N}^*
  • on a les deux inégalités a2k+1<a2k+2\displaystyle a_{2k+1} < a_{2k+2} et a2k+1<a2k\displaystyle a_{2k+1} < a_{2k}.
  • de la remarque précédente on en déduit qu’on a toujours anan+1\displaystyle a_n \neq a_{n+1} et que si an<an+1\displaystyle a_n<a_{n+1} alors n=2k+1\displaystyle n=2k+1 pour un certain k0\displaystyle k \ge 0, et si an>an+1\displaystyle a_n>a_{n+1} alors n=2k\displaystyle n=2k pour un certain k0\displaystyle k \ge 0.

Montrons que ϕ\displaystyle \phi est bien à image dans R\displaystyle \mathcal{R}. Pour cela, il faut montrer que anan+1=1\displaystyle a_n \wedge a_{n+1} = 1 pour tout n0\displaystyle n \ge 0. Supposons que ce ne soit pas le cas. Il existerait alors un rang minimal N0\displaystyle N \ge 0 tel que aNaN+1>1\displaystyle a_N \wedge a_{N+1} > 1. Si on suppose aN<aN+1\displaystyle a_N<a_{N+1} (l’autre cas se traite de façon similaire), on peut écrire aN=a2k+1=ak\displaystyle a_N = a_{2k+1} = a_k et aN+1=a2k+2=ak+ak+1\displaystyle a_{N+1}=a_{2k+2} = a_k+a_{k+1} pour un certain k0\displaystyle k \ge 0. Mais on a alors : akak+1=(ak+ak+1)ak=aNaN+1>1,a_k \wedge a_{k+1} = (a_k+a_{k+1}) \wedge a_k = a_N \wedge a_{N+1} > 1, ce qui contredit la minimalité de N\displaystyle N. Ainsi on a bien anan+1=1\displaystyle a_n \wedge a_{n+1} = 1 pour tout n0\displaystyle n \ge 0, donc ϕ\displaystyle \phi est à image dans R\displaystyle \mathcal{R}.

Montrons que ϕ\displaystyle \phi est injective par l’absurde : si ϕ\displaystyle \phi n’est pas injective, il existe N<M\displaystyle N<M avec N\displaystyle N minimal tels que ϕ(N)=ϕ(M)\displaystyle \phi(N)=\phi(M). Si N\displaystyle N est pair et M\displaystyle M est impair, d’après la deuxième remarque on aurait aN>aN+1\displaystyle a_N > a_{N+1} et aM<aM+1\displaystyle a_M<a_{M+1}, or aN=aM\displaystyle a_N=a_M et aN+1=aM+1\displaystyle a_{N+1}=a_{M+1}, ce qui n’est pas possible. De même on ne peut pas avoir N\displaystyle N impair et M\displaystyle M pair. Ainsi N\displaystyle N et M\displaystyle M ont la même parité. Supposons N=2k\displaystyle N=2k et M=2l\displaystyle M=2l, avec 1k<l\displaystyle 1 \le k < l. On a alors ak=a2k+1=aN+1=aM+1=ala_{k}=a_{2k+1}=a_{N+1}=a_{M+1}=a_l et ak1=aNaN+1=aMaM+1=al1a_{k-1}=a_N-a_{N+1}=a_M-a_{M+1}=a_{l-1} donc ϕ(k1)=ϕ(l1)\displaystyle \phi(k-1)=\phi(l-1), ce qui contredit la minimalité de N\displaystyle N. On obtient une contradiction similaire dans le cas où N\displaystyle N et M\displaystyle M sont impairs. Ainsi ϕ\displaystyle \phi est injective.

Montrons enfin que ϕ\displaystyle \phi est surjective. On va montrer par récurrence sur N1\displaystyle N \ge 1 que chaque couple (p,q)R\displaystyle (p,q) \in \mathcal{R} tel que max(p,q)N\displaystyle \max(p,q) \le N admet un antécédent par ϕ\displaystyle \phi. Pour N=1\displaystyle N=1 la propriété est vraie car (1,1)=ϕ(1)\displaystyle (1,1) = \phi(1). Supposons la propriété vérifiée jusqu’à un certain rang N1\displaystyle N \ge 1. Soit (p,q)R\displaystyle (p,q) \in \mathcal{R} avec max(p,q)=N+1\displaystyle \max(p,q)=N+1. Alors (p,q)\displaystyle (p,q) est soit de la forme (p,N+1)\displaystyle (p,N+1) avec 1pN\displaystyle 1 \le p \le N, soit de la forme (N+1,q)\displaystyle (N+1,q) avec 1qN\displaystyle 1 \le q \le N. Dans le premier cas, on consdère le couple (p,N+1p)\displaystyle (p,N+1-p). On a : p(N+1p)=p(N+1)=1p \wedge (N+1-p) = p \wedge (N+1) =1 donc (p,N+1p)R\displaystyle (p,N+1-p) \in \mathcal{R}. De plus max(p,N+1p)N\displaystyle \max(p,N+1-p) \le N donc d’après l’hypothèse de récurrence il existe kN\displaystyle k \in \mathbb{N} tel que ϕ(k)=(p,N+1p)\displaystyle \phi(k)=(p,N+1-p). Mais alors : ϕ(2k+1)=(ak,ak+ak+1)=(p,N+1p+p)=(p,N+1).\phi(2k+1) = (a_k, a_k+a_{k+1}) = (p,N+1-p+p) = (p,N+1). On a bien trouvé un antécédent pour (p,N+1)\displaystyle (p,N+1). On suit un raisonnement similaire pour les couples (N+1,q)\displaystyle (N+1,q) avec 1qN\displaystyle 1 \le q \le N. Ainsi ϕ\displaystyle \phi est surjective.

Exercice 552 ⭐️⭐️⭐️ Coefficients d’un polynôme scindé, Mines PC 2021, Spé/L2

Soit (a0,,an)\displaystyle (a_0, \cdots, a_n) une suite finie, réelle. On dira qu’elle est

  • unimodulaire s’il existe 0jn\displaystyle 0 \leq j \leq n tel que a0a1ajaj+1an\displaystyle a_0 \leq a_1 \leq \cdots \leq a_j \geq a_{j+1} \geq \cdots \geq a_n ;
  • log-concave si pour tout 1jn1,\displaystyle 1 \leq j \leq n-1, on a aj2aj1aj+1\displaystyle a_j^2 \geq a_{j-1}a_{j+1} ;
  • ultra log-concave si (ak(nk))k=0,,n\displaystyle \left(\frac{a_k}{\binom{n}{k}}\right)_{k=0, \cdots, n} est log-concave.
  1. Montrer que la suite binomiale ((nk))k=0,,n\displaystyle \left(\binom{n}{k}\right)_{k=0, \cdots, n} est log-concave.
  2. Montrer que si (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} est ultra log-concave, alors elle est log-concave.
  3. Montrer que si (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} est strictement positive et log-concave, alors elle est unimodulaire.

Soit P(X)=a0+a1X++anXnR[X]\displaystyle P(X) = a_0 + a_1X + \cdots + a_nX^n \in \R[X] avec n2\displaystyle n\ge 2 et an0.\displaystyle a_n \neq 0. On suppose P\displaystyle P scindé dans R[X]\displaystyle \R[X]. Par convention, on considère dans cet exercice que le polynôme nul est scindé dans R[X]\displaystyle \R[X].

  1. Montrer que P\displaystyle P' est scindé dans R[X]\displaystyle \R[X].
  2. Montrer que Q(X)=XnP(1/X)\displaystyle Q(X) = X^nP(1/X) est scindé dans R[X]\displaystyle \R[X].
  3. Soit k[ ⁣[1,n1] ⁣]\displaystyle k\in[\![1,n-1]\!]. On pose Q1(X)=P(k1)(X),Q2(X)=Xnk+1Q1(X1),Q3(X)=Q2(nk1)(X).Q_1(X) = P^{(k-1)}(X),\quad Q_2(X) = X^{n-k+1}Q_1(X^{-1}),\quad Q_3(X) = Q_2^{(n-k-1)}(X). Montrer que Q3R2[X]\displaystyle Q_3\in\R_2[X] et que Q3\displaystyle Q_3 est scindé dans R[X]\displaystyle \R[X].
    En déduire que (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} est ultra log-concave.
  1. Vérification par le calcul.
  2. Ecrire l’hypothèse, puis prendre la direction de la conclusion souhaitée.
  3. On peut considérer s’il existe le premier rang tel que ak+1<ak\displaystyle a_{k+1}<a_k, et vérifier que la suite est décroissante à partir de ce rang.
  4. Aller à la pêche aux racines de P\displaystyle P'. P\displaystyle P' possède des racines entre les racines de P\displaystyle P, d’après Rolle.
  5. Vérifier que ses racines dans C\displaystyle \C sont en fait nécessairement réelles.
  6. Appliquer les questions précédentes, et regarder ce qui arrive au degré à chaque étape. Pour la conclusion, il paraît naturel d’écrire le discriminant de Q3\displaystyle Q_3.
  1. Soit k[ ⁣[1,n1] ⁣]\displaystyle k \in [\![1,n-1]\!]. On a
    (nk1)(nk+1)=n!(k1)!(nk+1)!n!(k+1)!(nk1)!=knk+1n!k!(nk)!nkk+1n!k!(nk)!=kk+1×nknk+1(nk)2(nk)2.\begin{aligned} \binom{n}{k-1}\binom{n}{k+1} & = \frac{n!}{(k-1)!(n-k+1)!} \frac{n!}{(k+1)!(n-k-1)!} \\ & = \frac{k}{n-k+1} \frac{n!}{k!(n-k)!} \frac{n-k}{k+1} \frac{n!}{k!(n-k)!} \\ & = \frac{k}{k+1}\times\frac{n-k}{n-k+1} \binom{n}{k}^2 \leq \binom{n}{k}^2. \end{aligned} La suite binomiale ((nk))k=0,,n\displaystyle \left(\binom{n}{k}\right)_{k=0, \cdots, n} est donc bien log-concave.
  2. Supposons (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} ultra log-concave. Alors pour tout k[ ⁣[1,n1] ⁣],\displaystyle k \in [\![1,n-1]\!],
    ak1(nk1)ak+1(nk+1)ak2(nk)2,\frac{a_{k-1}}{\binom{n}{k-1}}\frac{a_{k+1}}{\binom{n}{k+1}} \leq \frac{a_k^2}{\binom{n}{k}^2},
    donc, comme un coefficient binomial est positif, on a aussi
    ak1ak+1(nk1)(nk+1)(nk)21, d’apreˋs 1.ak2ak2.a_{k-1}a_{k+1} \leq \underbrace{\frac{\binom{n}{k-1}\binom{n}{k+1}}{\binom{n}{k}^2}}_{\leq 1 \text{, d'après 1.}} a_k^2 \leq a_k^2.
  3. Soit (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} une suite strictement positive et log-concave.
    Posons j=max{k[ ⁣[0,n] ⁣]:a0a1ak}.\displaystyle j = \max \{k\in [\![0,n]\!] : a_0 \leq a_1 \leq \cdots \leq a_k\}.
    (j\displaystyle j est bien défini : maximum d’un ensemble fini, et non vide car contenant 0\displaystyle 0).
  • Si j=n,\displaystyle j = n, alors a0a1,an,\displaystyle a_0 \leq a_1, \leq \cdots \leq a_n, donc (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} est unimodulaire.
  • Si j<n,\displaystyle j < n, alors, on peut montrer par récurrence que pour tout k[ ⁣[j,n1] ⁣]\displaystyle k\in[\![j,n-1]\!], ak+1ak\displaystyle a_{k+1}\le a_k.
    On a déjà aj+1<aj\displaystyle a_{j+1}< a_j par définition de j\displaystyle j.
    Ensuite si on suppose ak+1ak\displaystyle a_{k+1}\le a_k pour un rang k[ ⁣[j,n2] ⁣]\displaystyle k\in[\![j,n-2]\!] alors ak+2akak+12,doncak+2ak+1ak1ak+1ak+1.a_{k+2}a_{k} \leq a_{k+1}^2, \quad \text{donc} \quad a_{k+2} \leq \underbrace{\frac{a_{k+1}}{a_{k}}}_{\leq 1} a_{k+1} \leq a_{k+1}.
  1. Notons α1<<αr\displaystyle \alpha_1 < \cdots < \alpha_r les racines réelles de P\displaystyle P, de multiplicités respectives n1,,nr.\displaystyle n_1, \ldots, n_r.
  • Pour tout i[ ⁣[1,r] ⁣],\displaystyle i \in [\![1,r]\!], αi\displaystyle \alpha_i est racine de P\displaystyle P' de multiplicit’e ni1\displaystyle n_i-1;
  • Pour tout i[ ⁣[1,r1] ⁣],\displaystyle i \in [\![1,r-1]\!], P:xP(x)\displaystyle P : x \mapsto P(x) est continue sur [αi,αi+1],\displaystyle [\alpha_i,\alpha_{i+1}],
    dérivable sur ]αi,αi+1[\displaystyle ]\alpha_i, \alpha_{i+1}[ avec P(αi)=P(αi+1)=0\displaystyle P(\alpha_i) = P(\alpha_{i+1})=0,
    donc (Rolle), P\displaystyle P' possède une racine βi]αi,αi+1[\displaystyle \beta_i \in ]\alpha_i,\alpha_{i+1}[.
    La somme des multiplicités est donc au moins égale à
    (i=1r(ni1))+r1=deg(P)1=deg(P), \left(\sum_{i=1}^r (n_i-1) \right)+ r-1 = \deg(P)-1 = \deg(P'), et donc égale à deg(P),\displaystyle \deg(P'), ainsi P\displaystyle P' est scindé.
  1. On remarque que Q(X)=i=0naniXi()\displaystyle Q(X) =\sum_{i=0}^n a_{n-i}X^i\quad (*).
    On a Q(0)=an0,\displaystyle Q(0) = a_n \neq 0, : 0 n’est pas racine de Q.\displaystyle Q.
    Soit zC\displaystyle z \in \C^* tel que Q(z)=0\displaystyle Q(z) = 0. Alors znP(1/z)=0\displaystyle z^n P(1/z) = 0, donc P(1/z)=0\displaystyle P(1/z)=0.
    Ceci entraîne que 1zR\displaystyle \frac 1z\in\R car P\displaystyle P est scindé dans R[X]\displaystyle \R[X], et donc que zR\displaystyle z\in\R.
    Conclusion. Q\displaystyle Q est scindé dans C[X]\displaystyle \C[X] et ses racines sont toutes réelles : il est donc scindé dans R[X]\displaystyle \R[X].
  • En itérant le résultat de 4., on peut affirmer que Q1=P(k1)\displaystyle Q_1 = P^{(k-1)} est scindé. De plus deg(Q1)=n(k1)=nk+1\displaystyle \deg(Q_1)= n-(k-1) = n-k+1 car k1n.\displaystyle k-1 \leq n.
  • D’après la question 5., Q2=Xnk+1Q1(1/X)\displaystyle Q_2 = X^{n-k+1}Q_1(1/X) est scindé.
    De plus ()\displaystyle (*) montre que deg(Q2)nk+1.\displaystyle \deg(Q_2)\le n-k+1.
  • Enfin, Q3=Q2(nk1)\displaystyle Q_3 = Q_2^{(n-k-1)} vérifie : deg(Q3)deg(Q2)(nk1)2.\displaystyle \deg(Q_3) \leq \deg(Q_2) - (n-k-1) \le 2.
    Toujours d’après 4. Q3\displaystyle Q_3 est scindé car Q2\displaystyle Q_2 l’est.
    Les calculs donnent (avec des changements d’indice) :
    Q1=j=0nk+1(j+k1)!j!aj+k1Xj,Q_1 = \sum_{j=0}^{n-k+1} \frac{(j+k-1)!}{j!}a_{j+k-1}X^j, Q2=i=0nk+1(ni)!(nk+1i)!aniXi,Q_2 = \sum_{i=0}^{n-k+1} \frac{(n-i)!}{(n-k+1-i)!} a_{n-i}X^i ,
    et, enfin,
    Q3=Q2(nk1)=i=nk1nk+1(ni)!(nk+1i)!i!(i(nk1))!aniXi(nk1)=j=02(k+1j)!(2j)!(j+nk1)!j!ak+1jXj=(k+1)!(n(k+1))!2ak+1+k!(nk)!1akX+(k1)!(n(k1))!2ak1X2=n!(12(nk+1)ak+1+1(nk)akX+12(nk1)ak1X2).\begin{aligned} Q_3 = Q_2^{(n-k-1)} &= \sum_{i=n-k-1}^{n-k+1} \frac{(n-i)!}{(n-k+1-i)!} \frac{i!}{(i-(n-k-1))!} a_{n-i} X^{i-(n-k-1)} \\ & = \sum_{j=0}^2 \frac{(k+1-j)!}{(2-j)!} \frac{(j+n-k-1)!}{j!} a_{k+1-j} X^j \\ & = \frac{(k+1)!(n-(k+1))!}{2} a_{k+1} + \frac{k!(n-k)!}{1} a_k X + \frac{(k-1)!(n-(k-1))!}{2} a_{k-1} X^2\\ & = n! \left(\frac{1}{2\binom{n}{k+1}} a_{k+1} + \frac{1}{\binom{n}{k}} a_k X + \frac{1}{2\binom{n}{k-1}} a_{k-1} X^2\right). \end{aligned}
    Q3\displaystyle Q_3 est de degré 2\displaystyle \le 2 et scindé dans R[X]\displaystyle \R[X], donc son discriminant est positif (cette conclusion est valable y compris dans les cas où deg(Q3)<2\displaystyle \deg(Q_3)<2) :
    (ak(nk))24(ak12(nk1))(ak+12(nk+1))0.\left(\frac{a_k}{\binom{n}{k}}\right)^2 - 4 \left(\frac{a_{k-1}}{2\binom{n}{k-1}}\right)\left(\frac{a_{k+1}}{2\binom{n}{k+1}}\right)\geq 0. (ak(nk))2(ak1(nk1))(ak+1(nk+1)).\left(\frac{a_k}{\binom{n}{k}}\right)^2 \geq \left(\frac{a_{k-1}}{\binom{n}{k-1}}\right)\left(\frac{a_{k+1}}{\binom{n}{k+1}}\right).
    La suite (ak)k=0,,n\displaystyle (a_k)_{k = 0, \cdots, n} est ultra log-concave.

Exercice 589 ⭐️⭐️⭐️ Somme de Riemann avec produit, X MP

Soit f,g:[0,1]R\displaystyle f,g:[0,1]\to \R continues. Déterminer la limite de
In=1nk=0n1f(kn)g(k+1n).I_n=\frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{k}{n}\right) g\left(\frac{k+1}{n}\right).

  • Somme avec des k/n\displaystyle k/n 👉 Somme de Riemann ;
  • ça ressemble à du f(kn)g(kn)\displaystyle f\left(\frac{k}{n}\right) g\left(\frac{k}{n}\right), donc introduire la somme correspondante, et là on a la somme de Riemann pour fg\displaystyle f\cdot g.

On introduit Rn=1nk=0n1f(kn)(g(k+1n)g(kn))R_n=\frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{k}{n}\right) \left(g\left(\frac{k+1}{n}\right)-g\left(\frac{k}{n}\right)\right) et on utilise la continuité uniforme de g\displaystyle g sur [0,1]\displaystyle [0,1] (Théorème de Heine) pour majorer g(x)g(y)\displaystyle |g(x)-g(y)|. On en déduit que Rn0\displaystyle R_n\to0 et donc que In01fg\displaystyle I_n\to \int_0^1fg.