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

➡️ Suites d’intégrales

Soit In=∫0π2cos⁡n(t)dt\displaystyle I_n=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n(t)dt. Montrer que la suite (nIn−1In)\displaystyle (nI_{n-1}I_n) est constante.
En déduire un encadrement de In2\displaystyle I_n^2 et que In∼π2n,4−n(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=cos⁡n−1\displaystyle u=\cos^{n-1} et v=sin⁡\displaystyle v=\sin. Alors, pour n>1\displaystyle n>1,
∫0π2cos⁡n(t)dt=[sin⁡(t)cos⁡n−1(t)]0π/2−∫0π2−(n−1)sin⁡(t)cos⁡n−2(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 sin⁡2=1−cos⁡2\displaystyle \sin^2=1-\cos^2, on obtient : In=(n−1)(In−2−In),I_n=(n-1)(I_{n-2}-I_n), d’où nIn=(n−1)In−2\displaystyle nI_n=(n-1)I_{n-2} et nInIn−1=(n−1)In−1In−2\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 n≥1\displaystyle n\ge1, nInIn−1=π/2\displaystyle nI_nI_{n-1}=\pi/2.
Comme sur [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2], 0≤cos⁡(t)≤1\displaystyle 0\le\cos(t)\le 1, on en déduit que In\displaystyle I_n est décroissante. Donc nIn2≤nInIn−1=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 In∼π2n\displaystyle I_n\sim\sqrt{\frac{\pi}{2n}}. Enfin, In=n−1nIn−2=n−1nn−3n−2In−4.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=(2n−1)⋯3⋅12n⋯2⋅1I0=(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 4−n(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