Sujet 5 - Exercice 1

45 min
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Certains exercices nécessites de l'initiative. En voici un exemple.
Question 1
Soit aa et bb deux nombres entiers naturels tel que a⩽ba \leqslant b.
On note par CbaC_b^a le nombre suivant :
Cba=b!a! (b−a)!C_b^a = \dfrac{b !}{a ! \, \left( b - a \right) !}

Soit nn un nombre entier naturel non nul. Calculer, si elle existe, la limite ℓ\ell suivante :
ℓ=lim⁡n⟶+∞n! C2nnnnn\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \sqrt[n]{\dfrac{n ! \, C_{2n}^n}{n^n}}

Correction
On a :
C2nn=(2n)!n!(2n−n)!=(2n)!n!n!C_{2n}^n = \dfrac{(2n) ! }{n ! (2n - n) !} = \dfrac{(2n) ! }{n ! n !}
Ainsi :
n!C2nn=(2n)!n!=2n×(2n−1)×⋯×(n+1)n ! C_{2n}^n = \dfrac{(2n) ! }{n !} = 2n \times (2n -1) \times \cdots \times (n+1)
Dans ce produit, il y a donc 2n−(n+1)+1=2n−n−1+1=n2n - (n+1) + 1= 2n - n -1 + 1 = n termes présents. Si on divise chacun des termes présents dans ce produit par nn, cela revient à diviser n!C2nnn ! C_{2n}^n par nnn^n. Et on a alors :
n!C2nnnn=2n×(2n−1)×⋯×(n+1)nn=2nn×2n−1n×⋯×n+1n\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} = \dfrac{2n \times (2n -1) \times \cdots \times (n+1)}{n^n} = \dfrac{2n}{n} \times \dfrac{2n-1}{n} \times \cdots \times \dfrac{n+1}{n}
Ce qui nous donne :
n!C2nnnn=2×(2−1n)×⋯×(1+1n)\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} = 2\times \left(2-\dfrac{1}{n} \right) \times \cdots \times \left( 1+\dfrac{1}{n} \right)
Soit encore :
n!C2nnnn=(1+1)×(1+1−1n)×⋯×(1+1n)\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} = (1+1) \times \left(1+1-\dfrac{1}{n} \right) \times \cdots \times \left( 1+\dfrac{1}{n} \right)
Qui peut également s'écrire, puisque 1=nn1 = \dfrac{n}{n} et 1−1n=n−1n1-\dfrac{1}{n} = \dfrac{n-1}{n} :
n!C2nnnn=(1+nn)×(1+n−1n)×⋯×(1+1n)=∏k=1n(1+kn)\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} = \left( 1+\dfrac{n}{n} \right) \times \left(1+\dfrac{n-1}{n} \right) \times \cdots \times \left( 1+\dfrac{1}{n} \right) = \prod_{k=1}^{n}\left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Afin d'éliminer le produit et de le transformer en somme (dans le but d'essayer de faire apparaître une somme de RiemannRiemann et après une intégrale simple à évaluer), on va introduire un logarithme népérien. On a alors :
ln⁡(n!C2nnnn)=ln⁡(∏k=1n(1+kn))\ln \left( \dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} \right) = \ln \left( \prod_{k=1}^{n}\left( 1+\dfrac{k}{n} \right) \right)
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme népérien, on trouve que :
ln⁡(n!C2nnnn)=∑k=1nln⁡(1+kn)\ln \left( \dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} \right) = \sum_{k=1}^{n} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Afin de faire apparaître la racine nn-ième présent dans l'énoncé, on va multiplier par 1n\dfrac{1}{n} et ensuite faire, une nouvelle fois, usage des propriétés algébriques du logarithme népérien. On a alors :
1nln⁡(n!C2nnnn)=1n∑k=1nln⁡(1+kn)\dfrac{1}{n}\ln \left( \dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} \right) = \dfrac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Soit :
ln⁡((n!C2nnnn)1n)=1n∑k=1nln⁡(1+kn)\ln \left( \left( \dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} \right)^\frac{1}{n} \right) = \dfrac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Ainsi, comme n!C2nnnn\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} est un terme positif quelque soit nn, on obtient :
ln⁡(n!C2nnnnn)=1n∑k=1nln⁡(1+kn)\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{1}{n}\sum_{k=1}^{n} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
La situation qui correspond au cas k=0k = 0 conduit à ln⁡(1+0n)=ln⁡(1)=0\ln \left( 1+\dfrac{0}{n} \right) = \ln(1) = 0. Ainsi le fait de débuter la somme à partir de la valeur k=0k=0 ne modifie pas la valeur de cette somme. Donc, on a :
ln⁡(n!C2nnnnn)=1n∑k=0nln⁡(1+kn)\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Afin de terminer la sommation à l'indice n−1n-1, excluons de l'écriture de cette somme le cas k=nk = n qui correspond au terme ln⁡(1+nn)=ln⁡(1+1)=ln⁡(2)\ln \left( 1+\dfrac{n}{n} \right) = \ln \left( 1+1 \right) = \ln(2). Ce qui nous donne :
ln⁡(n!C2nnnnn)=1n(ln⁡(2)+∑k=0n−1ln⁡(1+kn))\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{1}{n} \left( \ln(2) + \sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right) \right)
Soit encore :
ln⁡(n!C2nnnnn)=ln⁡(2)n+1n∑k=0n−1ln⁡(1+kn)\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{\ln(2)}{n} + \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1+\dfrac{k}{n} \right)
Par jeux d'écriture, on a également :
ln⁡(n!C2nnnnn)=ln⁡(2)n+1n∑k=0n−1ln⁡(1+0+k1−0n)\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{\ln(2)}{n} + \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1 + {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}}{n} \right)
Enfin, passons à la limite lorsque n⟶0n \longrightarrow 0. On a alors :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=lim⁡n⟶+∞(ln⁡(2)n+1n∑k=0n−1ln⁡(1+0+k1−0n))\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{\ln(2)}{n} + \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1 + {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}}{n} \right) \right)
On peut alors écrire que :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=ln⁡(2)lim⁡n⟶+∞1n+lim⁡n⟶+∞(1n∑k=0n−1ln⁡(1+0+k1−0n))\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \ln(2) \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} + \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1 + {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}}{n} \right) \right)
Comme ln⁡(2)lim⁡n⟶+∞1n=ln⁡(2)×0+=0\ln(2) \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} = \ln(2) \times 0^+ = 0, on trouve alors que :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=lim⁡n⟶+∞(1n∑k=0n−1ln⁡(1+0+k1−0n))\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \ln \left( 1 + {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}}{n} \right) \right)
On pose alors f:x∈[0 ; 1]⟶ln⁡(1+x)f : x \in [0 \,;\,1] \longrightarrow \ln(1+x). on a donc :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=lim⁡n⟶+∞(1n∑k=0n−1f(0+k1−0n))\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}}{n} \right) \right)
On reconnait alors une somme de RiemannRiemann. Dès lors, on a :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=11−0∫01f(x) dx=∫01f(x) dx\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{1}{{\color{red}{1}}-{\color{blue}{0}}} \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx
Avec :
∫01f(x) dx=∫01ln⁡(1+x) dx\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} \ln(1+x) \, dx
On pose alors X=1+xX = 1+x ce qui implique que dXdx=ddx(1+x)=1\dfrac{dX}{dx} = \dfrac{d}{dx}(1+x) =1 ce qui implique que dX=dxdX = dx. Puis, lorsque x=0x = 0 alors X=1X = 1 et lorsque x=1x = 1 alors X=2X = 2. On trouve alors que :
∫01f(x) dx=∫12ln⁡(X) dX=[Xln⁡(X)−X]12=2ln⁡(2)−2−(1ln⁡(1)−1)=2ln⁡(2)−2−ln⁡(1)+1\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \int_1^2 \ln(X) \, dX = \left[ X \ln(X) - X \right]_1^2 = 2 \ln(2) - 2 - \big( 1 \ln(1) - 1 \big) = 2 \ln(2) - 2 - \ln(1) + 1
Comme ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 on trouve que :
∫01f(x) dx=2ln⁡(2)−2+1=2ln⁡(2)−1\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = 2 \ln(2) - 2 + 1 = 2 \ln(2) - 1
On a donc :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(n!C2nnnnn)=2ln⁡(2)−1\lim_{n \longrightarrow +\infty}\ln \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = 2 \ln(2) - 1
En introduisant l'exponentielle, dans le but d'éliminer la présence du logarithme népérien, on a maintenant :
eln⁡(n!C2nnnnn)=e2ln⁡(2)−1e^{\ln \left( \sqrt[n]{\frac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right)} = e^{2 \ln(2) - 1}
Soit :
lim⁡n⟶+∞eln⁡(n!C2nnnnn)=e2ln⁡(2)×e−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} e^{\ln \left( \sqrt[n]{\frac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right)} = e^{2 \ln(2)} \times e^{-1}
Soit encore :
lim⁡n⟶+∞(n!C2nnnnn)=eln⁡(22)×1e\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = e^{ \ln(2^2)} \times \dfrac{1}{e}
D'où :
lim⁡n⟶+∞(n!C2nnnnn)=eln⁡(4)×1e\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = e^{ \ln(4)} \times \dfrac{1}{e}
Ainsi :
lim⁡n⟶+∞(n!C2nnnnn)=4×1e\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = 4 \times \dfrac{1}{e}
Ce qui nous donne donc :
lim⁡n⟶+∞(n!C2nnnnn)=4e\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \sqrt[n]{\dfrac{n ! C_{2n}^n}{n^n} }\right) = \dfrac{4}{e}
Finalement, la limite ℓ\ell recherchée vaut :
ℓ=4e\ell = \dfrac{4}{e}

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