Autour des propriétés de l'intégrale - Exercice 1

30 min
45
Savoir faire usage des majorations est essentiel en Mathématiques.
Soit nn un nombre entier naturel.
On pose :
∀n∈N,  In=∫01tn1+t dt\forall n \in \mathbb{N}, \,\, I_n = \int_0^1 \dfrac{t^n}{1+t} \, dt
Et :
∀n∈N,  In=∫0πsin⁡(t)n+t dt\forall n \in \mathbb{N}, \,\, \mathcal{I}_n = \int_0^\pi \dfrac{\sin(t)}{n+t} \, dt
Question 1

Déterminer, si elle existe, la limite ℓ\ell suivante :
ℓ=lim⁡n⟶+∞In\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} I_n

Correction
On a :
∀n∈N,  In=∫01tn1+t dt=∫0111+t×tn dt\forall n \in \mathbb{N}, \,\, I_n = \int_0^1 \dfrac{t^n}{1+t} \, dt = \int_0^1 \dfrac{1}{1+t} \times t^n \, dt
Donc, on peut écrire que :
∣∫0111+t×tn dt∣⩽sup⁡t∈[0 ; 1]∣11+t∣×∫01∣tn∣ dt\left| \int_0^1 \dfrac{1}{1+t} \times t^n \, dt \right| \leqslant \underset{t \in [0\,;\,1]}{\sup}\left| \dfrac{1}{1+t} \right| \times \int_0^1 \left| t^n \right| \, dt
Or t⟼11+tt \longmapsto \dfrac{1}{1+t} est décroissante sur l'intervalle d'intégration [0 ; 1][0\,;\,1], donc sup⁡t∈[0 ; 1]∣11+t∣=11+0=11=1\underset{t \in [0\,;\,1]}{\sup}\left| \dfrac{1}{1+t} \right| = \dfrac{1}{1+0} = \dfrac{1}{1} = 1. Ainsi, on a :
∣∫0111+t×tn dt∣⩽1×∫01∣tn∣ dt\left| \int_0^1 \dfrac{1}{1+t} \times t^n \, dt \right| \leqslant 1 \times \int_0^1 \left| t^n \right| \, dt
Soit encore :
∣In∣⩽∫01∣tn∣ dt\left| I_n \right| \leqslant \int_0^1 \left| t^n \right| \, dt
De plus :
∀n∈N,  ∀t∈[0 ; 1],  tn⩾0   ⟹   ∣tn∣=tn\forall n \in \mathbb{N}, \,\, \forall t \in [0\,;\,1], \,\, t^n \geqslant 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left| t^n \right| = t^n
Donc :
∣In∣⩽∫01tn dt   ⟺   ∣In∣⩽[tn+1n+1]01   ⟺   ∣In∣⩽1−0n+1   ⟺   ∣In∣⩽1n+1\left| I_n \right| \leqslant \int_0^1 t^n \, dt \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| I_n \right| \leqslant \left[ \dfrac{t^{n+1}}{n+1} \right]_0^1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| I_n \right| \leqslant \dfrac{1-0}{n+1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| I_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n+1}
Ainsi, on a :
−1n+1⩽In⩽1n+1- \dfrac{1}{n+1} \leqslant I_n \leqslant \dfrac{1}{n+1}
Or, on constate que :
lim⁡n⟶+∞(−1n+1)=lim⁡n⟶+∞(1n+1)=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( - \dfrac{1}{n+1} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{n+1} \right) = 0
Ainsi, en vertu du théorème de l'encadrement, on en déduit que :
lim⁡n⟶+∞In=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} I_n = 0
Finalement :
ℓ=0\ell = 0
Question 2

Déterminer, si elle existe, la limite LL suivante :
L=lim⁡n⟶+∞InL = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \mathcal{I}_n

Correction
On a :
∀n∈N,  In=∫0πsin⁡(t)n+t dt=∫0π1n+t×sin⁡(t) dt\forall n \in \mathbb{N}, \,\, \mathcal{I}_n = \int_0^\pi \dfrac{\sin(t)}{n+t} \, dt = \int_0^\pi \dfrac{1}{n+t} \times \sin(t) \, dt
Donc, on peut écrire que :
∣∫0π1n+t×sin⁡(t) dt∣⩽sup⁡t∈[0 ; 1]∣1n+t∣×∫0π∣sin⁡(t)∣ dt\left| \int_0^\pi \dfrac{1}{n+t} \times \sin(t) \, dt \right| \leqslant \underset{t \in [0\,;\,1]}{\sup}\left| \dfrac{1}{n+t} \right| \times \int_0^\pi \left| \sin(t) \right| \, dt
Or t⟼1n+tt \longmapsto \dfrac{1}{n+t} est décroissante sur l'intervalle d'intégration [0 ; 1][0\,;\,1], donc sup⁡t∈[0 ; 1]∣1n+t∣=1n+0=1n\underset{t \in [0\,;\,1]}{\sup}\left| \dfrac{1}{n+t} \right| = \dfrac{1}{n+0} = \dfrac{1}{n}. Ainsi, on a :
∣∫0π1n+t×sin⁡(t) dt∣⩽1n×∫0π∣sin⁡(t)∣ dt\left| \int_0^\pi \dfrac{1}{n+t} \times \sin(t) \, dt \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \int_0^\pi \left| \sin(t) \right| \, dt
Soit encore :
∣In∣⩽1n×∫0π∣sin⁡(t)∣ dt\left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \int_0^\pi \left| \sin(t) \right| \, dt
De plus :
∀t∈[0 ; π],  sin⁡(t)⩾0   ⟹   ∣sin⁡(t)∣=sin⁡(t)\forall t \in [0\,;\,\pi], \,\, \sin(t) \geqslant 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left| \sin(t) \right| = \sin(t)
Donc :
∣In∣⩽1n×∫0πsin⁡(t) dt\left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \int_0^\pi \sin(t) \, dt
Ce qui nous permet d'écrire que :
∣In∣⩽1n×[−cos⁡(t)]0π   ⟺   ∣In∣⩽1n×[cos⁡(t)]π0   ⟺   ∣In∣⩽1n×(cos⁡(0)−cos⁡(π))\left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \left[ - \cos(t) \right]_0^\pi \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \left[ \cos(t) \right]_\pi^0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \left( \cos(0) - \cos(\pi)\right)
Soit encore :
∣In∣⩽1n×(1−(−1))   ⟺   ∣In∣⩽1n×(1+1)   ⟺   ∣In∣⩽2n\left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \left( 1 - (-1) \right) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{1}{n} \times \left( 1 + 1 \right) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left| \mathcal{I}_n \right| \leqslant \dfrac{2}{n}
Ainsi, on a :
−2n⩽In⩽2n- \dfrac{2}{n} \leqslant \mathcal{I}_n \leqslant \dfrac{2}{n}
Or, on constate que :
lim⁡n⟶+∞(−2n)=lim⁡n⟶+∞(2n)=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( - \dfrac{2}{n} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{2}{n} \right) = 0
Ainsi, en vertu du théorème de l'encadrement, on en déduit que :
lim⁡n⟶+∞In=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \mathcal{I}_n = 0
Finalement :
L=0L = 0

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.