Exercice 122 ⭐️⭐️ 13∣(270+370)\displaystyle 13|(2^{70}+3^{70}), Sup/L1

➡️ Arithmétique

Montrer que 13∣(270+370)\displaystyle 13|(2^{70}+3^{70}).

270+370\displaystyle 2^{70}+3^{70} 👉 ça fait penser à l’identité remarquable aq−bq\displaystyle a^q-b^q.

Réponse directe : 270+370=2503155504994422192936289397389273\displaystyle 2^{70}+3^{70} = 2503155504994422192936289397389273, qui vaut 13×192550423461109399456637645953021\displaystyle 13 \times 192550423461109399456637645953021. 😵😱

Mais bon, on s’attend à quelque chose de plus astucieux…😉

On voudrait utiliser ak−bk\displaystyle a^k-b^k, mais ici on a un +\displaystyle +. Essayons quand même : 270+370=435+935=435−(−9)35=(4−(−9))(∑⋯ )\displaystyle 2^{70}+3^{70}=4^{35}+9^{35}=4^{35}-(-9)^{35}=(4-(-9))\left(\sum \cdots\right), donc 13∣(270+370)\displaystyle 13|(2^{70}+3^{70}).
On peut aussi utiliser des congruences modulo 13\displaystyle 13 et le petit théorème de Fermat.

Exercice 245 ⭐️⭐️ Equivalent de ∫0∞e−ntf(t)tdt\displaystyle \int_0^{\infty}e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}dt, Mines 2018

➡️ Intégrales généralisées

Soit f:R+→R\displaystyle f:\R_+\to\R une fonction continue bornée telle que f(0)≠0\displaystyle f(0)\neq 0. Donner un équivalent de un=∫0+∞e−ntf(t)tdt\displaystyle u_n=\int_0^{+\infty}e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}dt.

Équivalent d’une suite d’intégrale 👉 Changement de variable pour "sortir le n\displaystyle n".

Soit M>0\displaystyle M>0 tel que pour tout t≥0\displaystyle t\ge0, ∣f(t)∣≤M\displaystyle |f(t)|\le M. L’intégrande est bien intégrable en 0\displaystyle 0 car ∣e−ntf(t)t∣≤Mt\displaystyle \left|e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}\right|\le \frac{M}{\sqrt{t}}, t>0\displaystyle t>0, et aussi en +∞\displaystyle +\infty car ∣e−ntf(t)t∣≤Me−nt\displaystyle \left|e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}\right|\le M e^{-nt} pour tout t≥1\displaystyle t\ge 1. En faisant le changement de variable u=nt\displaystyle u=nt, on obtient un=∫0+∞e−uf(u/n)u/ndun=1n∫0+∞e−uf(u/n)udu\displaystyle u_n=\int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u/n}}\frac{du}{n}=\frac{1}{\sqrt{n}}\int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}du. On sait que

  • f(u/n)→n→∞f(0)\displaystyle f(u/n)\xrightarrow[n\to\infty]{}f(0) pour tout u≥0\displaystyle u\ge0 car f\displaystyle f est continue en 0\displaystyle 0 ;
  • ∣e−uf(u/n)u∣≤Me−uu\displaystyle \left|e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}\right|\le \frac{Me^{-u}}{\sqrt{u}}, pour tout n∈N\displaystyle n\in\N et tout u>0\displaystyle u>0, et que u↦Me−uu\displaystyle u\mapsto \frac{Me^{-u}}{\sqrt{u}} est intégrable sur R+\displaystyle \R_+.

On en déduit alors grâce au théorème de convergence dominée que ∫0+∞e−uf(u/n)udu→n→∞f(0)∫0∞e−uudu\displaystyle \int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}du\xrightarrow[n\to\infty]{}f(0)\int_0^\infty\frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du.
Comme f(0)≠0\displaystyle f(0)\neq0 et ∫0∞e−uudu=2∫0∞e−t2dt=π\displaystyle \int_0^\infty\frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du=2\int_0^\infty e^{-t^2}dt=\sqrt{\pi}, on conclut finalement que un∼f(0)πn.u_n\sim f(0)\sqrt{\frac{\pi}{n}}.

Exercice 512 ⭐️⭐️ Série convergente, Spé/L2

➡️ Séries numériques

Soit (un)n≥1\displaystyle (u_n)_{n\ge 1} le terme général d’une série convergente. Montrer que la série ∑n≥1unn\displaystyle \sum_{n\ge1} \frac{u_n}{n} est aussi convergente.

L’énoncé semble trop simple… Il y a peut-être un piège ! Ici, l’étourderie à ne pas commettre serait de croire que (un)n≥1\displaystyle (u_n)_{n \ge 1} est à termes positifs, ce qui n’est pas une hypothèse de l’énoncé.

On pose S0=0\displaystyle S_0=0 et, pour n≥1\displaystyle n \ge 1, Sn=∑k=1nuk\displaystyle S_n = \sum_{k=1}^n u_k. On sait que la suite (Sn)n≥1\displaystyle (S_n)_{n\ge 1} est convergente, on note S\displaystyle S sa limite. On a, pour tout N≥1\displaystyle N \ge 1, ∑n=1Nunn=∑n=1NSn−Sn−1n=SNN+∑n=1N−1Sn(1n−1n+1)=SNN+∑n=1N−1Snn(n+1). \begin{aligned} \sum_{n=1}^N \frac{u_n}{n} &= \sum_{n=1}^N \frac{S_n-S_{n-1}}{n} \\ &= \frac{S_N}{N} +\sum_{n=1}^{N-1} S_n \left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) \\ &= \frac{S_N}{N} +\sum_{n=1}^{N-1} \frac{S_n}{n(n+1)}.\end{aligned} Comme (Sn)n≥1\displaystyle (S_n)_{n \ge 1} est convergente, on a lim⁡N→∞SNN=0.\lim_{N \to \infty} \frac{S_N}{N} = 0. De plus, la série de terme général ∑n≥1Snn(n+1)\displaystyle \sum_{n \ge 1} \frac{S_n}{n(n+1)} est absolument convergente, car ∣Snn(n+1)∣∼n→∞Sn2,\left| \frac{S_n}{n(n+1)} \right| \sim_{n \to \infty} \frac{S}{n^2}, donc la limitelim⁡N→∞∑n=1N−1Snn(n+1)\lim_{N \to \infty} \sum_{n=1}^{N-1} \frac{S_n}{n(n+1)} existe bien. Ainsi la série ∑n≥1unn\displaystyle \sum_{n \ge 1} \frac{u_n}{n} est bien convergente.