Exercice 17 ⭐️⭐️ Intégrale de Wallis, Sup/L1/Classique
Soit In=∫02πcosn(t)dt. Montrer que la suite (nIn−1In) est constante.
En déduire un encadrement de In2 et que In∼2nπ,4−n(n2n)∼πn1.
Réflexes
Puissance dans une intégrale 👉 IPP !
Corrigé
On intègre par parties avec u=cosn−1 et v=sin. Alors, pour n>1, ∫02πcosn(t)dt=[sin(t)cosn−1(t)]0π/2−∫02π−(n−1)sin(t)cosn−2(t)sin(t)dt. Donc, avec sin2=1−cos2, on obtient : In=(n−1)(In−2−In), d’où nIn=(n−1)In−2 et nInIn−1=(n−1)In−1In−2, ce qu’on voulait.
On a I0=π/2 et I1=1, donc pour tout n≥1, nInIn−1=π/2.
Comme sur [0,π/2], 0≤cos(t)≤1, on en déduit que In est décroissante. Donc nIn2≤nInIn−1=2π=(n+1)In+1In≤(1+1/n)nIn2. Ainsi nIn2 converge vers π/2 et In∼2nπ. Enfin, In=nn−1In−2=nn−1n−2n−3In−4. Donc, en prenant 2n au lieu de n, on a I2n=2n⋯2⋅1(2n−1)⋯3⋅1I0=2nn!2nn!(2n)!2π. Par conséquent 4−n(n2n)∼π24nπ=πn1, qui est la fréquence de l’équirépartition : n piles et n faces parmi 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) définies par u0>0 et un+1=1+un2.
Calculer un.
Donner un équivalent de k=0∑nuk1.
Réflexes
Télescopage ;
Sommation des relations de comparaison.
Corrigé
On a un+12−un2=1, donc en sommant, on obtient par téléscopage un2−u02=n, d’où un=n+u02.
On en déduit un∼n. Or n+1−n=n+1+n1∼2n1∼2un1. Comme ∑n1 diverge, on en déduit par sommation des relations de comparaison : k=0∑nuk1∼2k=0∑n(k+1−k)∼2n.
Exercice 38 ⭐️⭐️ Série harmonique alternée, Sup/L1/Classique
Calculer vN=n=0∑Nn+1(−1)n, et sa limite.
Réflexes
A toi de choisir !
n+11=∫01tndt ;
n1=∫0∞e−nxdx.
Corrigé
En écrivant n+11=∫01tndt, on a vN=n=0∑N∫01(−1)ntndt=∫01n=0∑N(−t)ndt=∫011+t1−(−t)N+1dt.
On a pu intervertir somme et intégrale sans théorèmes car la somme est finie. Comme ∣∣∣∣∣∫011+t(−t)N+1dt∣∣∣∣∣≤∫01tN+1dt=N+21N→∞0, on en déduit : vNN→∞∫011+tdt=ln(2).
Exercice 40 ⭐️ Terminale/Sup/L1
Soit (un) définie par {u0>1∀n∈N,un+1=un2−2un+2.
Montrer que un>1,∀n∈N.
On pose vn=ln(un−1).
Exprimer vn puis un en fonction de n et trouver la limite de (un).
Corrigé
On commence à voir le début d’une identité remarquable pour un, en effet un+1=(un−1)2+1. Par récurrence on voit alors que un>1 car u0>1.
On remarque un+1−1=(un−1)2, donc en passant au logarithme il vient vn+1=2vn, d’où vn=2nv0.
Ainsi un=evn+1. On calcule alors facilement la limite de un suivant que u0∈]1,2[ (i.e. v0<0), u0=2 (i.e. v0=0) et u0>2 (i.e. v0>0).
Exercice 41 ⭐️ Suite arithmético-géométrique, Terminale/Sup/L1
Soit α∈]0,1[ et soit (un) la suite définie par : {u0=α(1−α)un+1=(1−α)un+α(1−α). Déterminer l’expression de un en fonction de α et n. En déduire la limite de un.
On pose a=1−α et b=α(1−α), de sorte que un+1=aun+b. Ici a=1, on pose r=1−ab=1−α et on rappelle que vn=un−r est une suite géométrique avec vn+1=avn, ce qui fournit : un=an(u0−r)+r=(1−α)n(α(1−α)−(1−α))+(1−α). L’expression peut être un peu factorisée mais est déjà suffisante pour voir que n→+∞limun=1−α car 0<α<1 et donc 0<1−α<1.
Exercice 42 ⭐️⭐️⭐️ Valeurs d’adhérence et intervalle, Sup/L1
Soit u une suite réelle telle que un+1−unn→∞0.
Montrer que que l’ensemble des valeurs d’adhérence de u est un intervalle, i.e.
si a<b sont deux valeurs d’adhérence alors c tel que a<c<b en est une aussi.
Indications
On pourra considérer l’ensemble {k∣q≤k≤retuk≤c−ε} avec q et r bien choisis.
Corrigé
Soit a<b deux valeurs d’adhérence. Soit c∈]a,b[ et ε>0 tel que ]c−ε,c+ε[⊂]a,b[.
Comme un+1−unn→∞0, il existe N tel que pour tout n≥N, ∣un+1−un∣<2ε. On fixe désormais N.
On a a<c−ε. Comme a est une valeur d’adhérence de (un), il existe une sous-suite de (un) qui converge vers a. Donc "pour certains n de plus en plus grand, un se rapproche de a et finit par descendre en dessous de c−ε". Ainsi il existe N1>N tel que uN1≤c−ε.
De même, comme b est valeur d’adhérence, il existe N2>N1 tel que uN2≥c+ε.
On considère alors l’ensemble A={k∣N1≤k≤N2etuk≤c−ε}. On note que A est non vide car N1∈A, et il est borné, donc il possède un plus grand élément K<N2 (on ne peut pas avoir K=N2 par définition de N2). Donc N1≤K+1≤N2, mais K+1∈/A. Par suite uK+1>c−ε (sinon on aurait K+1∈A). Comme K≥N1≥N, on a ∣uK+1−uK∣<2ε, et donc uK+1<uK+2ε≤c+ε, i.e. uK+1∈]c−ε,c+ε[, ce qu’on voulait.
Exercice 43 ⭐️ Critère spécial des séries alternées, Spé/L2
Si (an) est une suite réelle décroissante et de limite nulle, alors la suite de terme général Sn=k=0∑n(−1)kak converge.
Corrigé
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) une suite réelle bornée et soit la suite (un) définie par un=sup{xk,k≥n}. Montrer que (un) est convergente.
Corrigé
La suite (un) est décroissante (car {xk,k≥n+1}⊂{xk,k≥n}). Elle est minorée car (xn) est bornée. Donc la suite (un) converge.
C’est la notion de limsup (resp. de 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), Sup/L1
Etudier la limite de la suite (un)n∈N définie par : un=0≤k≤n∏cos(k).
Réflexes
On voit du 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.
Corrigé
La suite vn=∣un∣ est décroissante car ∣cos(n)∣≤1, et minorée par 0, donc convergente vers l≥0.
Supposons que l>0. Alors ∣cos(n)∣=vn−1vnn→∞1, donc cos2(n)=21(cos(2n)+1)n→∞1, d’où cos(2n)→2−1=1. Mais cos(2n)+cos(2n+4)=2cos(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 n↦cos(2n). Ainsi on obtient 2=2cos(2), i.e. cos(2)=1, ce qui est faux ! On en déduit donc que l=0, et que la suite un tend vers 0.
Exercice 46 ⭐️⭐️ Racines d’une suite de polynômes, Mines, Sup/L1
On considère une suite (an) de réels positifs ou nuls avec a0>0 et a1>0.
On pose pour tout n>0, Pn(x)=−a0+1≤k≤n∑akxk.
Montrer que Pn admet une unique racine un>0. Montrer que la suite (un) est convergente.
Réflexes
Existence de racine, continuité 👉 TVI !
Suite convergente ? 👉 suite monotone bornée ?
Corrigé
On a Pn(0)=−a0<0, et Pn′(x)=a1+2≤k≤n∑kakxk−1>0 pour tout x≥0. Comme Pn est continu strictement croissante sur R+ avec x→∞limPn(x)=+∞, on en déduit que Pn a une unique racine un>0 (Pn réalise en fait une bijection de [0,+∞[ sur [−a0,+∞[).
Pour voir si un 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, mais aussi Pn+1(un+1)=0, i.e. Pn+1(un+1)≤Pn+1(un). Comme Pn+1 est croissant, on en déduit que un+1≤un. La suite (un) est alors décroissante et minorée par 0, donc elle converge !
Exercice 47 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Lemme sous-additif, Spé/L3
Soit (an)n∈N une suite sous-additive, i.e. an+m≤an+am. Montrer que la limite n→∞limnan existe et vaut l:=n∈Ninfnan.
On traitera d’abord le cas où l>−∞ .
Corrigé
La page wikipedia est très bien. La preuve utilise la notion de limsup et de 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 limsupun=liminfun alors (un) a une limite qui est la lim sup ou inf.
Exercice 49 ⭐️⭐️⭐️ Spé/L2
Calculer un équivalent de bn=k=1∑n(−1)kk.
Corrigé
Pas facile d’avoir une intuition sur le comportement d’une série alternée dont le terme général diverge vers +∞ en valeur absolue. On peut déjà se ramener à l’étude d’une série à termes positifs en écrivant que b2n=k=1∑n2k−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 2k−2k−1=21(2k−2k−2)+21(2k−22k−1+2k−2). On a donc b2n=21k=1∑n(2k−2k−2)+k=1∑nwk, avec wk=21(2k−22k−1+2k−2). La première somme est maintenant téléscopique, on a : 21k=1∑n(2k−2k−2)=22n. La seconde somme est la somme partielle d’une série convergente. En effet, la concavité de la fonction x↦x permet de montrer que wk≤0. De plus, on utilise le développement limité 1+h=1+21h−81h2 pour écrire : wk=22k(1−21−2k1+1−k1)∼−1621k3/21. La suite (wk) est à termes négatifs et équivalente au terme général d’une série convergente, donc la suite Sn=k=1∑nwk est convergente. On a donc montré : n→∞lim212nb2n=n→∞lim1+212nSn=1. De plus, on a : n→∞lim212n+1b2n+1=n→∞lim212n+1212n−212n+12n+1+212nSn=1−2=−1.
Au final, on a montré que bn∼(−1)n2n.
Exercice 50 ⭐️⭐️⭐️ Spé/L2
Montrer qu’il existe une constante C=0 telle que 2≤k≤n∏(1+k(−1)k)n→∞∼nC.
Réflexes
Produit 👉 Passage au log.
Corrigé
Voulant prendre le log de n2≤k≤n∏(1+k(−1)k), on pose naturellement :un=21ln(n)+k=2∑nln(1+k(−1)k). On va montrer que la suite un est convergente, de limite l∈R, ce qui implique, par continuité de la fonction exponentielle, le résultat souhaité, avec C=exp(l). L’idée naturelle est de considérer un développement limité des logarithmes. On pose donc, pour k≥2, vk=k(−1)k−2k1,wk=ln(1+k(−1)k)−vk. Le développement limité du logarithme permet de montrer que k→∞limk3/2∣wk∣=31. Par comparaison avec une série de Riemann, on en déduit que la série k≥2∑wk est absolument convergente, donc convergente. Notons S1 la somme de cette série. De plus, la série k≥2∑k(−1)k vérifie les hypothèses du critère des séries alternées, c’est donc une série convergente, on note S2 sa somme. Enfin, on rappelle le résultat suivant : la suite (−ln(n)+k=1∑nk1)n≥1 est convergente, sa limite étant souvent notée γ. On recolle tous ces résultats de la façon suivante : on a un=21(ln(n)−k=1∑nk1)+21+k=2∑nk(−1)k+k=2∑nwk, donc la suite (un)n≥2 est bien convergente, de limite −21γ+21+S2+S1.
Exercice 51 ⭐️⭐️ Limite de cos(nx), Terminale/Sup/L1
Soit x∈R tel que n→+∞limcos(nx)=1. Montrer que x∈2πZ.
Réflexes
On voit du cos 👉 Formules de trigo ;
On voit des entiers n 👉 Récurrence (ici ça n’est pas pertinent), regarder avec n+1, n+2, sous-suites, etc.
Corrigé
Au diable les epsilons et les raisonnements fins, voici une solution assez simple. Tout d’abord, la formule sin2(nx)=1−cos2(nx) permet de montrer que n→∞limsin(nx)=0. Ensuite, on écrit que : 1=n→∞limcos((n+1)x)=cos(x)n→∞limcos(nx)−sin(x)n→∞limsin(nx)=cos(x). Ainsi x est nécessairement solution de l’équation cos(x)=1, donc x est bien élément de 2πZ.
Exercice 52 ⭐️⭐️⭐️ X PC, Sup/L1
Soient (an)n≥0 et (bn)n≥0 deux suites réelles telles que an→α∈R et bn→β∈R. Déterminer la limite de la suite de terme général un=n+11k=0∑nakbn−k.
Réflexes
un ressemble à une moyenne arithmétique 👉 Lemme de Cesaro ?
Corrigé
La seule idée naturelle pour la limite, ce serait αβ. Intuitivement, si k et n−k sont tous les deux suffisamment grands, alors akbn−k ne doit pas être éloigné de αβ, donc un, qui est vu comme une moyenne des akbn−k, doit aussi être proche de αβ. Pour rendre ces idées rigoureuses, il faut deux ingrédients supplémentaires : tout d’abord, comme les suites (an)n≥0 et (bn)n≥0 sont convergentes, elles sont bornées : il existe donc M>0 tel que ∣an∣≤M et ∣bn∣≤M pour tout n≥0. On a également α≤M et β≤M.
Le deuxième ingrédient est le lemme de Cesaro, qu’on rappelle ici sous une forme simplifiée : si (vn)n≥0 est une suite convergente de limite 0, et si Sn=n+11k=0∑nvk, alors la suite (Sn)n≥0 est convergente de limite 0. En effet, si ε>0, on fixe un rang K tel que ∣vk∣<2ε pour n≥K. On fixe ensuite un rang N≥K tel que n+11∣∣∣∣∣∣k=0∑K−1vk∣∣∣∣∣∣≤2ε pour tout n≥N. On a alors : ∀n≥N,∣Sn∣≤n+11∣∣∣∣∣∣k=0∑K−1vk∣∣∣∣∣∣+n+11k=K∑n∣vk∣≤2ε+nn−K+12ε<ε, la limite est donc bien établie.
Revenons à l’exercice : on remarque tout d’abord que ∣akbn−k−αβ∣=∣(ak−α)bn−k+α(bn−k−β)∣≤M∣ak−α∣+M∣bn−k−β∣∣un−αβ∣≤Mn+11k=0∑n∣ak−α∣+Mn+11k=0∑n∣bn−k−β∣. On applique le lemme de Cesaro à la suite vn=an−α, qui est de limite nulle, et ainsi n→∞limn+11k=0∑n∣ak−α∣=0. Pour l’autre somme, on remarque d’abord que k=0∑n∣bn−k−β∣=k=0∑n∣bk−β∣, on peut donc à nouveau appliquer le lemme de Cesaro, qui donne la limite n→∞limn+11k=0∑n∣bn−k−β∣=0. Ainsi on a bien n→∞lim∣un−αβ∣=0.
Exercice 54 ⭐️⭐️ CCP, Spé/L2
Calculer la limite de la suite un=(n!nn(2n)!)1/n.
Réflexes
Produit, puissance 👉 Passage au log ;
Factoriel, puissance 👉 Formule de stirling.
Corrigé
Puisque un>0, on peut poser vn:=ln(un)=n1(ln((2n)!)−ln(n!)−nln(n)).
Or ln((2n)!)−ln(n!)=k=1∑nln(n+k). Donc vn=n1k=1∑n(ln(n+k)−lnn)=n1k=1∑nln(1+nk),
et là on reconnaît une somme de Riemann associée à la fonction continue f(x)=ln(1+x) sur [0,1]. Donc vnn→∞∫01ln(1+x)dx=[(1+x)log(1+x)−x]01=2ln2−1. Comme la fonction exp est continue, on en déduit unn→∞e2ln2−1=4/e.
Exercice 55 ⭐️⭐️ Série de terme général décroissant, Spé/L2/Classique
Soit (un) une suite positive décroissante telle que ∑un converge.
Montrer que un=o(1/n). Montrer que la réciproque est fausse.
Corrigé
Il faut faire le lien entre nun et des sommes de la série. Soit ε>0.
Comme ∑un converge, il existe n1 tel que k≥n1∑uk<ε. Pour n≥n1, on a (n−n1)un≤k=n1+1∑nuk<ε car (uk) est décroissante. Ainsi nun≤ε+n1un. On sait que ∑un converge, donc un→0, et on trouve un n2 tel que pour tout n≥n2, n1un≤ε. Ainsi pour tout n≥max(n1,n2), nun≤2ε, ce qui prouve la convergence nun vers 0.
Pour étudier la réciproque, on prend vn=nln(n)1. On a bien vn=o(1/n), mais la série ∑vn ne converge pas d’après le critère de Bertrand. On peut se rappeler facilement ce dernier résultat en comparant vn=∑nln(n)1 à l’intégrale ∫xln(x)1, une primitive étant ln(ln(x)), qui tend vers l’infini quand x→∞.
Exercice 229 ⭐️⭐️ Irrationalité de e, Sup/L1
Soit un=1+1!1+2!1+⋯+n!1 et vn=un+n!1.
Montrer que (un) et (vn) sont adjacentes. On note e leur limite.
Supposons que e=qp. Donner alors un encadrement strict de p(q−1)! Conclure.
Corrigé
On a un+1−un=(n+1)!1>0, donc (un) est strictement croissante. De plus, vn−vn+1=un−un+1+n!1−(n+1)!1=n!1−(n+1)!2=(n+1)!n−1>0, pour n≥2. Donc (vn) est strictement décroissante à partir de n=2. Comme vn−un=n!1→0 quand n→∞, on en déduit que les suites (un) et (vn) sont adjacentes. Elles convergent donc vers une limite, qu’on appelle e.
Supposons que e=qp. On a uq<qp<uq+q!1, les inégalités étant strictes car les suites (un) et (vn) sont strictement monotones. D’où, q!uq<p(q−1)!<q!uq+1. Or q!uq est un entier, donc l’entier p(q−1)! est strictement compris entre deux entiers consécutifs, ce qui est impossible. On en déduit que le nombre e est irrationnel.
Exercice 244 ⭐️⭐️⭐️ k≥0∑2kkn, Spé/L2
On pose pour tout n∈N, An=k=0∑∞2kkn. Montrer que An est bien défini et l’exprimer en fonction des (Aj)0≤j≤n−1. Calculer A0 et en déduire que An est un entier pair.
Réflexes
Ré-indexation de la somme.
Corrigé
Montrons l’existence de An : remarquons tout d’abord que An est la somme d’une série à termes positifs. De plus, si on se fixe 1/2<α<1, on remarque par croissances comparées que k→∞lim(2α)kkn=0, donc 2kkn=ok→∞(αk), et on conclut par comparaison avec le terme général d’une série convergente à termes positifs.
Établissons une relation de récurrence entre les An. On remarque que, si n≥1, on a An=k=1∑∞2kkn. On fait ensuite le changement d’indice k=l+1, puis on utilise la formule du binôme de Newton pour écrire : An=l=0∑∞2l+1(l+1)n=21l=0∑∞p=0∑n(pn)2llp. L’interversion des deux sommes peut se justifier de plusieurs manières : on peut dire le terme général p=0∑n(pn)2llp est la somme de n+1 termes généraux de séries convergentes ; on peut aussi argumenter que la famille ((pn)2llp)l≥0,0≤p≤n est sommable. On peut alors écrire : An=21p=0∑n(pn)l=0∑∞2llp=21p=0∑n(pn)Ap. Cette identité n’est vraie que pour n≥1 : en effet, on a utilisé le fait que 0n=0, ce qui n’est pas vrai pour n=0. On en déduit que An=2An−An=p=0∑n(pn)Ap−An=p=0∑n−1(pn)Ap. Cette relation permet de montrer par récurrence que An est un entier pair pour tout n≥0, car A0=1−1/21=2 (somme d’une série géométrique de raison 1/2).
Soit (zn) et (zn′) deux suites à valeurs dans C, qui ne s’annulent pas.
Montrer que si Re(zn)∼Re(zn′) et Im(zn)∼Im(zn′), alors zn∼zn′.
Montrer à l’aide d’un contre-exemple que la réciproque est fausse.
Réflexes
Montrer que zn∼zn′ 👉 Caractériser par zn=zn′+o(zn).
Prendre par exemple : un=n+i et vn=n+2i.
Corrigé
Notons zn=an+ibn, et zn′=an′+ibn′ (avec an,bn,an′,bn′ réels).
Par hypothèse, an=an′+o(an) et bn=bn′+o(bn).
Par combinaison linéaire, zn=zn′+o(an)+o(bn).
Or ∣an∣≤∣zn∣ et ∣bn∣≤∣zn∣, donc on a finalement : zn=zn′+o(zn).
Autrement dit, zn∼zn′.
Considérons les suites définies par un=n+i et vn=n+2i.
Alors unvn=n2+1(n+2i)(n−i)=n2+1n2+2+in2+1n.
Or n2+1n2+2∼n2n2=1, donc n2+1n2+2→1, et n2+1n∼n1 donc n2+1n→0.
On a donc bien unvn→1, donc vn∼un.
Pourtant Im(un)Im(vn)=2 ne tend pas vers 0 !
Exercice 394 ⭐️⭐️ Suite Racine d’un polynôme de degré n, Sup/L1
Soit Pn(x)=xn−x−n avec n≥2.
Montrer que Pn a une unique racine xn sur R+, et que xn≥1.
Etudier la convergence de la suite (xn).
Déterminer un équivalent de xn−1.
Montrer que (xn) est décroissante.
Réflexes
Étude de variation de Pn, TVI ;
Monotonie ? Si ça ne marche pas 👉 Encadrement de xn par des valeurs simples dont le signe des images par Pn est différent ;
D.L. de l’encadrement.
Corrigé
On a Pn′(x)=nxn−1−1. On note an=(1/n)1/(n−1)∈]0;1[. Donc Pn est décroissante sur [0,an] et strictement croissant sur ]an,+∞[. On a Pn(0)=Pn(1)=−n, donc Pn n’a pas de racine sur [0,1]. Pn étant continue et strictement croissante sur [1;+∞[; avec Pn(1)<0 et x→+∞limPn(x)=+∞, Pn a une unique racine xn sur ]1,+∞[.
On a xnn=xn+n. On va essayer de placer xn par rappport à des valeurs simples en utilisant la petite étude de variation faite en 1). On voit que Pn(x)≤0 si x≤xn, et Pn(x)>0 si x>xn. En quelles valeurs “pas trop compliquées” peut-on prendre le polynôme ? Assez naturellement, posons bn=n1/n. On a Pn(bn)=n−n1/n−n=−n1/n<0, on en déduit donc bn≤xn. On comprend un peu mieux ce qui se passe et on peut maintenant poser cn=(n+e)1/n. On a Pn(cn)=n+e−(n+e)1/n−n=e−(n+e)1/n≥0 car pour n≥2, (n+e)1/n=en1ln(n+e)≤e. On en déduit que xn≤cn. Ainsi bn≤xn≤cn. Comme on a n1/n=en1ln(n)n→∞1 et (n+e)1/n=en1ln(n+e)n→∞1, il vient que la suite (xn) converge vers 1. Solution bis — Fixons ε>0. On a n→∞limPn(1+ε)=+∞, donc à partir d’un rang n0 on a Pn(1+ε)>0. Ainsi pour n≥n0, 1≤xn≤1+ε. Ceci montre que n→∞limxn=1.
Par la question 2), on obtient l’encadrement suivant :en1ln(n)−1≤xn−1≤en1ln(n+e)−1. On peut alors utiliser des D.L. de exp au voisinage de 0 car n1ln(n)→0. Alors en1ln(n)−1=1+n1ln(n)+o(n1ln(n))−1=n1ln(n)+o(n1ln(n)). De même en1ln(n+e)−1=1+n1ln(n+e)+o(n1ln(n+e))−1=n1ln(n)+o(n1ln(n)), car n1ln(n+e)=n1ln(n(1+e/n))=n1ln(n)+n1ln(1+e/n) et ln(1+e/n)=o(ln(n)). Par conséquent : xn−1∼nln(n). Solution bis — On cherche un équivalent de yn=xn−1. On sait déjà que yn≥0 et que yn→0.
L’égalité xnn−xn=n donne (1+yn)n=yn+n+1. Comme yn→0 ceci entraîne que (1+yn)n∼n. Comme ces suites tendent vers +∞ on a donc nln(1+yn)∼ln(n)(⋆), donc nyn∼ln(n), et finalement xn−1∼nln(n). (⋆) C’est un fait classique : si (an) et (bn) sont équivalentes, strictement positives, et tendent vers ℓ=1, alors ln(bn)ln(an)=1+ln(bn)ln(an/bn)→1+ℓ0=1, donc ln(an)∼ln(bn).
∙ On vérifie facilement que x↦Pn+1(x)−Pn(x) est strictement croissant sur [1;+∞[. Ce polynôme vaut −1 en x=0, et tend vers +∞ en +∞. Il s’annule donc en un unique réel un sur [1;+∞[. Il suffit de montrer que Pn(un)≤0. En effet dans ce cas, on a xn≥un, donc Pn+1(xn)≥Pn(xn)=0=Pn+1(xn+1). Comme Pn+1 est strictement croissante sur [1;+∞[, on en déduit que xn≥xn+1. ∙ Montrons donc que Pn(un)≤0. yn vérifie unn+1=unn+1, donc unn=un−11.
Ainsi Pn(un)=un−11−un−n, du signe de −un2+(1−n)un+1+n.
(…la fin de la solution bientôt…)
Remarque — La monotonie de (xn) n’est pas évidente à étudier. En effet, remble pas bien se goupiller. Écrivons xn+1n+1=xn+1+n+1. D’où xn+1n+1−xnn=xn+1−xn+1. Comme xn+1>1, il vient xn+1n+1−xnn>xn+1n−xnn. On a alors envie d’utiliser la formule an−bn mais on arrive pas non plus à déterminer le signe de xn+1−xn. Supposer xn+1−xn>0 n’induit pas non plus de contradiction.
Exercice 419 ⭐️⭐️⭐️ Sinus itéré, Sup/L1
Soit (un) la suite définie par u0∈]0;π/2] et un+1=sin(un).
Montrer que (un) converge vers 0 en décroissant.
Montrer que si une suite (an) converge vers L=0, alors k=0∑n−1ak∼nL.
Montrer que un+121−un21 converge vers une valeur à préciser
En déduire un équivalent simple de un quand n→∞.
Réflexes
Appliquer les méthodes de cours sur les suites récurrentes, c’est ici un cas d’école.
Revenir aux définitions. Majorer la distance entre n1k=0∑n−1ak et L.
Le comportement de sin en 0 est en jeu 👉 Développement limité.
Télescopage.
Corrigé
Notons I=]0;π/2].
u0∈I, et l’intervalle I est stable par la fonction sin, donc : ∀n∈N,un∈I.
Pour x∈I, on a sin(x)≤x (inégalité classique, aisée à démontrer). Donc ∀n∈N,un+1≤un.
Ainsi (un) est décroissante minorée (par 0) donc elle converge vers un réel ℓ∈[0;π/2[. un+1=sin(un) donne quand n→∞ : ℓ=sin(ℓ). On vérifie aisément que l’équation x=sin(x) n’a que 0 comme solution sur I (examiner les variations de x↦x−sin(x)). Donc ℓ=0.
On n’a pas le choix, on doit revenir aux définitions pour montrer que ∣∣∣∣∣∣n1k=0∑n−1ak−L∣∣∣∣∣∣→0.
Soit ε>0, et un rang n0 tel que ∀n≥n0,∣an−L∣≤ε. Alors pour n≥n0, ∣∣∣∣∣∣n1k=0∑n−1ak−L∣∣∣∣∣∣=n1∣∣∣∣∣∣k=0∑n−1(ak−L)∣∣∣∣∣∣≤n1(k=0∑n0−1∣ak−L∣+k=n0∑n−1∣ak−L∣)≤nC+nn−n0ε≤nC+ε,avec C=k=0∑n0−1∣ak−L∣. Ainsi si n est plus grand que max(n0,C/ε), on a ∣∣∣∣∣∣n1k=0∑n−1ak−L∣∣∣∣∣∣≤2ε.
On a un+121−un21=un2sin2(un)un2−sin2(un).
Un développement limité donne x2−sin2(x)x→0=x2−(x2−x4/3+o(x4))x→0∼x4/3.
Comme un→0 (et que par conséquent sin(un)∼un), on a donc un+121−un21∼un4un4/3=31.
Par télescopage, k=0∑n−1(uk+121−uk21)=un21−u021.
Ainsi d’après 2., on a : un21−u021∼3n. Comme un21→∞, on a donc un21∼3n. Finalement un∼n3.
Remarque — la question 2, pour les MP, est une conséquence directe de la propriété de cours sur la sommation des relations de comparaison.
Ces suites tendent vers +∞. Comparez-les asymptotiquement : qui est négligeable devant qui ? an=(2n)nbn=nncn=(2n)!dn=n!en=n2n.
Réflexes
Faire les limites des quotients !
Corrigé
Nous allons montrer que : dn≪bn≪an≪cn≪en (où la notation un≪vn signifie : un=o(vn)).
∙bndn=k=1∏nnk=n1k=2∏nnk≤n1, donc bndn→0.
∙anbn=(2nn)n=2n1→0, donc anbn→0.
∙cnan=n!(n2n)2n≤n!2n→0, par croissance comparée.
∙ La dernière demande un peu de travail.
Si on connaît la formule de Stirling : encn∼n2n4πn(e2n)2n=4πn(e2)2n→0, par croissance comparée.
Si on ne la connaît pas, on s’en sort avec une comparaison série intégrale.
On a : ln(encn)=k=1∑2nln(k)−2nln(n).
Or une comparaison série/intégrale donne k=1∑2nln(k)≤∫12n+1ln(t)dt=(2n+1)ln(2n+1)−2n. Ainsi ln(encn)≤ln(2n+1)+2nln(2+n1)−2n∼2n(ln(2)−1)→−∞,
donc encn→0.
Exercice 488 ⭐️ Convergence de zn, Sup/L1
Soit z∈C. Montrer que la suite (zn) converge vers 0 si ∣z∣<1 et ne converge pas si ∣z∣≥1 et z=1.
Réflexes
Converger vers 0 👉 Majorer par quelquechose qui tend vers 0 ;
Diverger 👉 Minorer la suite ou des différences !
Corrigé
Soit ∣z∣<1. Alors ∣zn∣≤∣z∣nn→∞0. Donc la suite (zn) converge vers 0 si ∣z∣<1.
Soit ∣z∣≥1 et z=1. Alors ∣zn+1−zn∣=∣z∣n∣z−1∣≥∣z−1∣>0 car ∣z∣≥1 et z=1. Si la suite (zn) convergeait, on aurait ∣zn+1−zn∣n→∞0, ce qui n’est pas possible d’après l’inégalité précédente. Donc la suite diverge. Si ∣z∣>1, on peut même dire qu’elle diverge vers +∞.
Exercice 503 ⭐️⭐️ Valeurs d’Adhérence, Spé/L2
Soit (un)n≥1 une suite de réels. On suppose que tout x∈]0,1] est valeur d’adhérence de (un)n≥0. Montrer que 0 est aussi valeur d’adhérence de la suite.
Réflexes
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.
Corrigé
On cherche à construire une sous-suite (unk)k≥1 convergeant vers 0. Ici on va construire, de proche en proche, la sous-suite de telle sorte que unk∈[0,k1].
On peut commencer par un petit rappel : soit x une valeur d’adhérence de (un)n≥1, ε>0 et N≥1. Il existe un indice N′>N tel que uN′∈[x−ε,x+ε]. En effet, soit (unk′)k≥1 une suite extraite de limite x. Par définition de la limite il existe un indice K≥1 tel que unk′∈[x−ε,x+ε] pour tout k≥K. Il suffit alors de choisir N′=nk′ avec k suffisamment grand pour qu’on ait à la fois nk′>N et k≥K.
En appliquant le résultat à x=1/2, ε=1/2 et N=0, on a l’existence d’un indice N′ tel que uN′∈[0,1]. On pose alors n1=N′.
Supposons construits un1,…,unk−1. On applique maintenant le résultat intermédiaire à x=2k1, ε=2k1 et N=nk−1. Il existe alors un indice N′>nk−1 tel que uN′∈[2k1−2k1,2k1+2k1]=[0,k1]. On pose alors nk=N′.
Par comparaison, il est clair que la suite (unk)k≥1 ainsi construite est de limite nulle.
Exercice 530 ⭐️⭐️⭐️ un+1=un+n2, X PC, Sup/L1
Oral X ESPCI - PC 2014
Soit (un)n≥0 la suite définie par u0=a∈R+ et ∀n∈N, un+1=un+n2.
Déterminer un développement asymptotique de un de la forme unn→∞=αn+β+nγ+o(1/n).
Indications
Commencer par montrer que un=O(n).
Ensuite, injecter cette information dans la relation de récurrence : qu’obtient-on ?
Ensuite, recommencer…
Corrigé
Première remarque, pas indispensable.
La suite (un) est clairement positive, et donc : ∀n≥1,un≥(n−1)2=n−1, donc un→+∞.
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.
Montrons par récurrence, que(∗)un≤n+a pour tout n≥1.
Pour n=1, u1=a≤a+1 (en effet si a≤1 alors a≤1, et sinon a≤a) .
Supposons maintenant que pour un n≥1, on ait un≤n+a. Alors un+1≤n2+n+a=n+n(1+n1+n2a−1). Une application de l’I.A.F., ou la concavité de t↦t pour ceux qui connaissent, donnent 1+t−1≤2t pour tout t≥0. Donc un+1≤n+n(2n1+2n2a)=n+21+2na≤n+1+a.
On a un+1=n2+O(n)=n1+O(1/n)=n+O(1).
Donc un+1∼n, et par conséquent un∼n−1∼n.
On injecte cette information dans la relation de récurrence : un+1=n2+n+O(1)=n1+n1+O(1/n2)=n(1+2n1+O(1/n2))=n+21+O(1/n),
et donc un=n−21+O(1/n).
On injecte à nouveau (on rappelle 1+xx→0=1+2x−8x2): un+1=n2+n−21+O(1/n)=n1+n1−2n21+O(1/n3)=n(1+2n1−4n21−8n21+O(1/n3))=n+21−8n3+o(1/n),
et donc un=n−21−8n3+o(1/n). En effet n−11=n1+o(1/n).
(∗) 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=nun2, Sup/L1
Soit a≥0, et (un)n≥1 la suite définie par u1=a et ∀n≥1,un+1=nun2.
Montrer que : ∀n≥2,2nln(un)=21ln(a)−41k=1∑n−12kln(k).
Justifier que la série n≥1∑2nln(n) est convergente.
On pose W=n=1∑∞wn. Montrer que (un)n≥1 converge si et seulement si a<eW/2.
Réflexes
Somme et relation de récurrence 👉 Télescopage.
Comparaison avec séries de référence (Riemann par exemple)
Commencer par traduire ce que signifie cette condition pour les un.
Corrigé
La relation de l’énoncé donne : ∀k≥1,ln(uk+1)=2ln(uk)−21ln(k). En divisant par 2k+1, et en sommant, il vient : k=1∑n−1(2k+1ln(uk+1)−2kln(uk))=−k=1∑n−12k+2ln(k).2nln(un)−21ln(a)=−41k=1∑n−12kln(k).
Avec, par exemple ln(n)=o(n), et 2n1=o(1/n3), il vient 2nln(n)=o(1/n2).
D’où la conclusion, par comparaison avec une série de Riemann convergente.
Essayons de traduire ce que dit la condition a<eW/2 pour notre suite : a<eW/2⇔2W>ln(a)⇔∃n0>1:21k=1∑n0−12kln(k)>ln(a)⇔∃n0>1:2n0ln(un0)<0(d’apreˋs 1.)⇔∃n0>1:un0<1. Étudions donc la suite dans les deux cas suivants :
premier cas : ∃n0>1:un0<1.
Dans ce cas, par récurrence immédiate, on a 0≤un<1 pour tout n≥n0.
Par conséquent un+1≤n1 pour tout n≥n0, et donc limun=0.
deuxième cas : ∀n0>1:un0≥1.
Dans ce cas, pour tout n≥n0, un+1=nun2≥1.
Donc pour tout n≥n0, un≥n1/4, et donc limun=+∞.
Exercice 533 ⭐️⭐️ Moyenne orbitale et spatiale, Sup/L1
Un petit pas vers la théorie ergodique…
On pose : T={z∈C,∣z∣=1}, ϕ(z)=θz, θ=e2πiω où ω est irrationnel, et enfin ϕn:=ϕ∘⋯∘ϕ (n fois).
Soit f une fonction continue de T dans C. On note : ∀z∈T,SN(f)(z)=N1n=0∑N−1f(ϕnz). On appelle moyenne orbitale de f sur T la quantité si elle existe : S(f)(z)=N→∞limSN(f)(z), et moyenne spatiale la quantité : f=∫01f(e2πit)dt.
Que représente l’application ϕ ?
On suppose ici que f(z)=k=−p∑pakzk où p∈N∗ et (ak) est une suite de complexes.
Calculer f, SN(f)(z) et S(f)(z). Que remarquez-vous encore une fois ?
Penser maintenant f comme “une information” à peu près quelconque sur T et que vous avez encore l’égalité des moyenne orbitale et spatiale. Expliquer alors ce que ϕ à tendance à faire.
Corrigé
ϕ est la rotation d’angle 2πω.
Exercice 534 ⭐️⭐️⭐️ Vitesse de convergence des sommes de Riemann, X PSI, Sup/L1/Classique
Si f:[0,1]→R est continue, on sait que les sommes de Riemann n1k=0∑n−1f(xk,n), où xk,n∈[nk,nk+1[, convergent vers I=∫01f(x)dx. Notons Sn=n1k=0∑n−1f(nk).
Si f∈C1, on peut avoir la vitesse de convergence de Sn vers I et le premier terme du développement asymptotique. Montrer que dans ce cas : I−Sn=2n1(f(1)−f(0))+o(1/n). Remarque — Plus f est régulière, i.e. C2, C3, etc, plus la précision est bonne, i.e. on obtient les autres termes du développement asymptotique.
Réflexe-Indication
Intégrale-Somme 👉 Ecrire l’intégrale comme une somme ;
💡 Utiliser une primitive F de f (sinon on peut galérer longtemps 😫).
Corrigé
Soit F une primitive de f. Alors I=F(1)−F(0)=k=0∑n−1(F(nk+1)−F(nk)). La formule de Taylor-Lagrange à l’ordre 2 pour F qui est C2 donne : F(nk+1)−F(nk)=n1f(nk)+2n21f′(xk,n), avec xk,n∈]nk,nk+1[, car F′=f et F′′=f′. Donc en sommant on a I−Sn=2n21k=0∑n−1f′(xk,n).(⋆) Or f′ est continue car f est C1, 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 : n1k=0∑n−1f′(xk)=∫01f′(x)dx+o(1). En injectant cette identité dans (⋆) et en notant que ∫01f′(x)dx=f(1)−f(0), on obtient le résultat.
Exercice 535 ⭐️ ∑n(n+1)1, Terminale/Sup/L1
Calculer uN=n=1∑Nn(n+1)1 et sa limite. En utilisant uN montrer que la suite vN=n=1∑Nn21 converge vers une limite ≤2.
Réflexe
A bien connaître : n(n+1)1=n1−n+11.
Corrigé
En écrivant n(n+1)1=n1−n+11, on en déduit par téléscopage que uN=1−N+11N→∞1.
On a pour N≥2, vN≤1+n=2∑Nn(n−1)1=1+uN−1≤2.
Donc la suite (vN) est croissante et majorée par 2. Ainsi (vN) converge vers une limite ≤2.
Remarque — On connaît la valeur exacte de cette limite ! C’est 6π2≃610<2. Voir cet exercice classique des DM de sup 😉
Exercice 543 ⭐️⭐️⭐️ Méthode de Newton, Sup/L1
Soit f de classe C1 sur un intervalle I. On suppose que :
f′<0 sur I;
f est convexe;
f s’annule en un unique point α∈I.
On considère la suite (un) définie par son premier terme u0∈I∩]−∞;α], et pour tout n∈N: un+1=un−f′(un)f(un). Montrer que (un) est bien définie et qu’elle converge vers α.
Réflexes
C’est une suite récurrente 👉 étudier la monotonie pour commencer.
Corrigé
∙ Montrons que pour tout n∈N, on a l’implication : (un∈I et un≤α)⇒(un≤un+1≤α).Supposons un∈I et un≤α. Alors f étant convexe et dérivable, on a : ∀t∈I,f′(un)(t−un)+f(un)≤f(t). En particulier en prenant t=α on obtient : f′(un)(α−un)≤−f(un) donc (attention au fait que f′(un)<0) : α≥un−f′(un)f(un)=un+1. De plus dans la relation un+1=un−f′(un)f(un), on remarque que f(un)≥f(α)=0 car f est décroissante, et que f′(un)<0, donc un+1≥un. ∙ Par récurrence, on obtient donc les inégalités u0≤u1≤u2≤⋯≤α.
La suite (un) est donc croissante et majorée par α.
Elle converge donc vers un réel ℓ∈[u0;α].
Comme f est convexe, f′ est croissante et donc 0≥f′(u0)f(un)≥f′(un)f(un). Or f′(un)f(un)=un−un+1→ℓ−ℓ=0.
Donc par encadrement, f′(u0)f(un)→0 et donc f(un)→0.
Conclusion. f étant continue on a donc f(ℓ)=0, et par unicité, ℓ=α.
Exercice 550 ⭐️⭐️⭐️ Fibonacci modulo 10, MP/Spé
On définit la suite de Fibonacci (Fn)n≥0 par F0=0, F1=1 puis par la relation de récurrence Fn+2=Fn+Fn+1.
Soit dn le dernier chiffre du nombre Fn écrit en base 10. Montrer que la suite (dn)n≥0 est périodique de période 60.
Réflexes
Dernier chiffre dans l’écriture décimale 👉 on pense à raisonner dans Z/10Z
Suite récurrente linéaire 👉 on tente une écriture matricielle de la récurrence !
Corrigé
Soit an=Fn∈Z/10Z la classe de congruence modulo 10 de Fn. Le chiffre dn est l’unique représentant de la classe an dans {0,…,9}. On se ramène donc à prouver que la suite (an)n≥1 est 60-périodique. Comme la projection Z→Z/10Z est un morphisme d’anneaux, la relation de récurrence sur les (Fn)n≥0 implique que an+2=an+1+an, et on a a0=0 et a1=1.
On écrit la relation de récurrence matriciellement par l’équation An+1=MAn, avec An=(anan+1) et M=(0111). Ici la matrice M est vue comme élément de l’anneau M2(Z/10Z). Une récurrence sur p≥0 donne la formule An+p=MpAn. Il s’agit donc de montrer que M60=I (toujours dans M2(Z/10Z)). Par le théorème chinois, il suffit de vérifier que M60=I dans M2(Z/2Z) et dans M2(Z/5Z). 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.
On en déduit que M3=M2+M=2M+I, donc que M3=I dans M2(Z/2Z), et toujours dans cet anneau on a donc M60=I20=I.
Si on se place dans M2(Z/5Z), il faut pousser les calculs plus loin. On calcule d’abord M4=(M+I)2=M2+2M+I=3M+2I, d’où on déduit M5=3M2+2M=5M+3I=3I, car 5=0 dans Z/5Z. On a alors M10=9I=−I, donc M20=I et à plus forte raison M60=I.
On a bien montré que M60=I dans M2(Z/10Z), ce qui prouve que dn+60=dn pour tout n≥0. Un examen détaillé du raisonnement (en particulier du fait que 3 et 20 sont premiers entre eux) montre que 60 est la plus petite période.
Le calcul de la période de Fn modulo m, où m≥2 est un entier, est toujours l’objet de profondes conjectures arithmétiques. Le cas 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)n≥0 par a0=1 et par les relations de récurrence : a2k+1=ak,a2k+2=ak+ak+1.
Montrer que l’application ϕ:n↦(an,an+1) établit une bijection entre N et R={(p,q)∈(N∗)2,p∧q=1}.
Réflexes
Corrigé
On commence par quelques remarques :
la suite (an)n≥0 est à valeurs dans N∗
on a les deux inégalités a2k+1<a2k+2 et a2k+1<a2k.
de la remarque précédente on en déduit qu’on a toujours an=an+1 et que si an<an+1 alors n=2k+1 pour un certain k≥0, et si an>an+1 alors n=2k pour un certain k≥0.
Montrons que ϕ est bien à image dans R. Pour cela, il faut montrer que an∧an+1=1 pour tout n≥0. Supposons que ce ne soit pas le cas. Il existerait alors un rang minimal N≥0 tel que aN∧aN+1>1. Si on suppose aN<aN+1 (l’autre cas se traite de façon similaire), on peut écrire aN=a2k+1=ak et aN+1=a2k+2=ak+ak+1 pour un certain k≥0. Mais on a alors : ak∧ak+1=(ak+ak+1)∧ak=aN∧aN+1>1, ce qui contredit la minimalité de N. Ainsi on a bien an∧an+1=1 pour tout n≥0, donc ϕ est à image dans R.
Montrons que ϕ est injective par l’absurde : si ϕ n’est pas injective, il existe N<M avec N minimal tels que ϕ(N)=ϕ(M). Si N est pair et M est impair, d’après la deuxième remarque on aurait aN>aN+1 et aM<aM+1, or aN=aM et aN+1=aM+1, ce qui n’est pas possible. De même on ne peut pas avoir N impair et M pair. Ainsi N et M ont la même parité. Supposons N=2k et M=2l, avec 1≤k<l. On a alors ak=a2k+1=aN+1=aM+1=al et ak−1=aN−aN+1=aM−aM+1=al−1 donc ϕ(k−1)=ϕ(l−1), ce qui contredit la minimalité de N. On obtient une contradiction similaire dans le cas où N et M sont impairs. Ainsi ϕ est injective.
Montrons enfin que ϕ est surjective. On va montrer par récurrence sur N≥1 que chaque couple (p,q)∈R tel que max(p,q)≤N admet un antécédent par ϕ. Pour N=1 la propriété est vraie car (1,1)=ϕ(1). Supposons la propriété vérifiée jusqu’à un certain rang N≥1. Soit (p,q)∈R avec max(p,q)=N+1. Alors (p,q) est soit de la forme (p,N+1) avec 1≤p≤N, soit de la forme (N+1,q) avec 1≤q≤N. Dans le premier cas, on consdère le couple (p,N+1−p). On a : p∧(N+1−p)=p∧(N+1)=1 donc (p,N+1−p)∈R. De plus max(p,N+1−p)≤N donc d’après l’hypothèse de récurrence il existe k∈N tel que ϕ(k)=(p,N+1−p). Mais alors : ϕ(2k+1)=(ak,ak+ak+1)=(p,N+1−p+p)=(p,N+1). On a bien trouvé un antécédent pour (p,N+1). On suit un raisonnement similaire pour les couples (N+1,q) avec 1≤q≤N. Ainsi ϕ est surjective.
Exercice 552 ⭐️⭐️⭐️ Coefficients d’un polynôme scindé, Mines PC 2021, Spé/L2
Soit (a0,⋯,an) une suite finie, réelle. On dira qu’elle est
unimodulaire s’il existe 0≤j≤n tel que a0≤a1≤⋯≤aj≥aj+1≥⋯≥an ;
log-concave si pour tout 1≤j≤n−1, on a aj2≥aj−1aj+1 ;
ultra log-concave si ((kn)ak)k=0,⋯,n est log-concave.
Montrer que la suite binomiale ((kn))k=0,⋯,n est log-concave.
Montrer que si (ak)k=0,⋯,n est ultra log-concave, alors elle est log-concave.
Montrer que si (ak)k=0,⋯,n est strictement positive et log-concave, alors elle est unimodulaire.
Soit P(X)=a0+a1X+⋯+anXn∈R[X] avec n≥2 et an=0. On suppose P scindé dans R[X]. Par convention, on considère dans cet exercice que le polynôme nul est scindé dans R[X].
Montrer que P′ est scindé dans R[X].
Montrer que Q(X)=XnP(1/X) est scindé dans R[X].
Soit k∈[[1,n−1]]. On pose Q1(X)=P(k−1)(X),Q2(X)=Xn−k+1Q1(X−1),Q3(X)=Q2(n−k−1)(X). Montrer que Q3∈R2[X] et que Q3 est scindé dans R[X].
En déduire que (ak)k=0,⋯,n est ultra log-concave.
Réflexes
Vérification par le calcul.
Ecrire l’hypothèse, puis prendre la direction de la conclusion souhaitée.
On peut considérer s’il existe le premier rang tel que ak+1<ak, et vérifier que la suite est décroissante à partir de ce rang.
Aller à la pêche aux racines de P′. P′ possède des racines entre les racines de P, d’après Rolle.
Vérifier que ses racines dans C sont en fait nécessairement réelles.
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.
Corrigé
Soit k∈[[1,n−1]]. On a (k−1n)(k+1n)=(k−1)!(n−k+1)!n!(k+1)!(n−k−1)!n!=n−k+1kk!(n−k)!n!k+1n−kk!(n−k)!n!=k+1k×n−k+1n−k(kn)2≤(kn)2. La suite binomiale ((kn))k=0,⋯,n est donc bien log-concave.
Supposons (ak)k=0,⋯,n ultra log-concave. Alors pour tout k∈[[1,n−1]], (k−1n)ak−1(k+1n)ak+1≤(kn)2ak2,
donc, comme un coefficient binomial est positif, on a aussi ak−1ak+1≤≤1, d’apreˋs 1.(kn)2(k−1n)(k+1n)ak2≤ak2.
Soit (ak)k=0,⋯,n une suite strictement positive et log-concave.
Posons j=max{k∈[[0,n]]:a0≤a1≤⋯≤ak}.
(j est bien défini : maximum d’un ensemble fini, et non vide car contenant 0).
Si j=n, alors a0≤a1,≤⋯≤an, donc (ak)k=0,⋯,n est unimodulaire.
Si j<n, alors, on peut montrer par récurrence que pour tout k∈[[j,n−1]], ak+1≤ak.
On a déjà aj+1<aj par définition de j.
Ensuite si on suppose ak+1≤ak pour un rang k∈[[j,n−2]] alors ak+2ak≤ak+12,doncak+2≤≤1akak+1ak+1≤ak+1.
Notons α1<⋯<αr les racines réelles de P, de multiplicités respectives n1,…,nr.
Pour tout i∈[[1,r]],αi est racine de P′ de multiplicit’e ni−1;
Pour tout i∈[[1,r−1]],P:x↦P(x) est continue sur [αi,αi+1],
dérivable sur ]αi,αi+1[ avec P(αi)=P(αi+1)=0,
donc (Rolle), P′ possède une racine βi∈]αi,αi+1[.
La somme des multiplicités est donc au moins égale à (i=1∑r(ni−1))+r−1=deg(P)−1=deg(P′), et donc égale à deg(P′), ainsi P′ est scindé.
On remarque que Q(X)=i=0∑nan−iXi(∗).
On a Q(0)=an=0, : 0 n’est pas racine de Q.
Soit z∈C∗ tel que Q(z)=0. Alors znP(1/z)=0, donc P(1/z)=0.
Ceci entraîne que z1∈R car P est scindé dans R[X], et donc que z∈R.
Conclusion. Q est scindé dans C[X] et ses racines sont toutes réelles : il est donc scindé dans R[X].
En itérant le résultat de 4., on peut affirmer que Q1=P(k−1) est scindé. De plus deg(Q1)=n−(k−1)=n−k+1 car k−1≤n.
D’après la question 5., Q2=Xn−k+1Q1(1/X) est scindé.
De plus (∗) montre que deg(Q2)≤n−k+1.
Enfin, Q3=Q2(n−k−1) vérifie : deg(Q3)≤deg(Q2)−(n−k−1)≤2.
Toujours d’après 4. Q3 est scindé car Q2 l’est.
Les calculs donnent (avec des changements d’indice) : Q1=j=0∑n−k+1j!(j+k−1)!aj+k−1Xj,Q2=i=0∑n−k+1(n−k+1−i)!(n−i)!an−iXi,
et, enfin, Q3=Q2(n−k−1)=i=n−k−1∑n−k+1(n−k+1−i)!(n−i)!(i−(n−k−1))!i!an−iXi−(n−k−1)=j=0∑2(2−j)!(k+1−j)!j!(j+n−k−1)!ak+1−jXj=2(k+1)!(n−(k+1))!ak+1+1k!(n−k)!akX+2(k−1)!(n−(k−1))!ak−1X2=n!(2(k+1n)1ak+1+(kn)1akX+2(k−1n)1ak−1X2). Q3 est de degré ≤2 et scindé dans R[X], donc son discriminant est positif (cette conclusion est valable y compris dans les cas où deg(Q3)<2) : ((kn)ak)2−4(2(k−1n)ak−1)(2(k+1n)ak+1)≥0.((kn)ak)2≥((k−1n)ak−1)((k+1n)ak+1).
La suite (ak)k=0,⋯,n est ultra log-concave.
Exercice 589 ⭐️⭐️⭐️ Somme de Riemann avec produit, X MP
Soit f,g:[0,1]→R continues. Déterminer la limite de In=n1k=0∑n−1f(nk)g(nk+1).
Réflexes
Somme avec des k/n 👉 Somme de Riemann ;
ça ressemble à du f(nk)g(nk), donc introduire la somme correspondante, et là on a la somme de Riemann pour f⋅g.
Corrigé
On introduit Rn=n1k=0∑n−1f(nk)(g(nk+1)−g(nk)) et on utilise la continuité uniforme de g sur [0,1] (Théorème de Heine) pour majorer ∣g(x)−g(y)∣. On en déduit que Rn→0 et donc que In→∫01fg.