Un équivalent à l'infini - Exercice 1

1 h
90
Un exercice dont l'esprit est très "analyse".
Question 1
On considère la fonction f:x∈[e ; +∞[⟶xln⁡(x)f : x \in [e \,;\, +\infty[ \longrightarrow \dfrac{x}{\ln(x)}.

Montrer que ff est croissante.

Correction
On a :
∀x∈x∈[e ; +∞[,  f′(x)=(xln⁡(x))′=x′ln⁡(x)−x(ln⁡(x))′(ln⁡(x))2=1ln⁡(x)−x1x(ln⁡(x))2=ln⁡(x)−1(ln⁡(x))2\forall x \in x \in [e \,;\, +\infty[, \,\, f'(x) = \left( \dfrac{x}{\ln(x)} \right)' = \dfrac{x'\ln(x) - x\big( \ln(x) \big)'}{\big( \ln(x) \big)^2} = \dfrac{1\ln(x) - x\dfrac{1}{x}}{\big( \ln(x) \big)^2} = \dfrac{\ln(x) - 1}{\big( \ln(x) \big)^2}
Mais :
x⩾e   ⟺   ln⁡(x)⩾ln⁡(e)   ⟺   ln⁡(x)⩾1   ⟺   ln⁡(x)−1⩾0x \geqslant e \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \ln(x) \geqslant \ln(e) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \ln(x) \geqslant 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \ln(x) - 1 \geqslant 0
De plus, on a :
∀x∈x∈[e ; +∞[,  ln⁡(x)⩾1   ⟹   (ln⁡(x))2⩾1   ⟹   (ln⁡(x))2>0\forall x \in x \in [e \,;\, +\infty[, \,\, \ln(x) \geqslant 1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \big( \ln(x) \big)^2 \geqslant 1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \big( \ln(x) \big)^2 > 0
Ainsi, on en déduit que :
∀x∈x∈[e ; +∞[,  ln⁡(x)−1(ln⁡(x))2⩾0\forall x \in x \in [e \,;\, +\infty[, \,\, \dfrac{\ln(x) - 1}{\big( \ln(x) \big)^2} \geqslant 0
Ce qui revient à écrire que :
∀x∈x∈[e ; +∞[,  f′(x)⩾0\forall x \in x \in [e \,;\, +\infty[, \,\, f'(x) \geqslant 0
Ce qui signifie que la fonction ff est croissante sur l'intervalle [e ; +∞[[e \,;\, +\infty[.
Question 2

Soit nn un nombre entier naturel non nul. Déterminer, lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, un équivalent de :
un=∑k=n+12nkln⁡(k)u_n = \sum_{k = n+1}^{2n} \dfrac{k}{\ln(k)}

Correction
Comme la fonction ff est croissante sur l'intervalle [e ; +∞[[e \,;\, +\infty[ et que e≃2,718e \simeq 2,718, on va donc supposer que k⩾3k \geqslant 3 car kk est un nombre entier naturel. Donc :
∀x∈x∈[k ; k+1],  f(k)⩽f(x)⩽f(k+1)\forall x \in x \in [k \,;\, k+1], \,\, f(k) \leqslant f(x) \leqslant f(k+1)
Ce qui implique que :
∀x∈x∈[k ; k+1],  ∫kk+1f(k) dx⩽∫kk+1f(x) dx⩽∫kk+1f(k+1) dx\forall x \in x \in [k \,;\, k+1], \,\, \int_k^{k+1} f(k) \, dx \leqslant \int_k^{k+1} f(x) \, dx \leqslant \int_k^{k+1} f(k+1) \, dx
Ce qui nous donne :
∀x∈x∈[k ; k+1],  f(k)∫kk+11 dx⩽∫kk+1f(x) dx⩽f(k+1)∫kk+11 dx\forall x \in x \in [k \,;\, k+1], \,\, f(k) \int_k^{k+1} 1 \, dx \leqslant \int_k^{k+1} f(x) \, dx \leqslant f(k+1) \int_k^{k+1} 1 \, dx
Comme ∫kk+11 dx=[x]kk+1=k+1−k=1\int_k^{k+1} 1 \, dx = [x]_k^{k+1} = k+1 - k = 1, on aboutit à :
∀x∈x∈[k ; k+1],  f(k)⩽∫kk+1f(x) dx⩽f(k+1)\forall x \in x \in [k \,;\, k+1], \,\, f(k) \leqslant \int_k^{k+1} f(x) \, dx \leqslant f(k+1)
Donc, avec k⩾4k \geqslant 4, et pour tenir compte de l'inégalité précédente (issue de k⩾3k \geqslant 3) on peut donc écrire que l'on a l'encadrement de f(k)f(k) suivant :
∫k−1kf(x) dx⩽f(k)⩽∫kk+1f(x) dx\int_{k-1}^k f(x) \, dx \leqslant f(k) \leqslant \int_k^{k+1} f(x) \, dx
Ainsi, à partir de n=3n=3, on va pouvoir écrire pour la première valeur de kk possible (puisque un=∑k=n+12nkln⁡(k)u_n = \sum_{k = n+1}^{2n} \dfrac{k}{\ln(k)}) qui est k=n+1k=n+1, l'encadrement suivant :
∫n+1−1n+1f(x) dx⩽f(n+1)⩽∫n+1n+1+1f(x) dx\int_{n+1-1}^{n+1} f(x) \, dx \leqslant f(n+1) \leqslant \int_{n+1}^{n+1+1} f(x) \, dx
Ce qui nous donne :
∙   k=n+1   ⟹   ∫nn+1f(x) dx⩽n+1ln⁡(n+1)⩽∫n+1n+2f(x) dx\bullet \,\,\, k = n+1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{n}^{n+1} f(x) \, dx \leqslant \dfrac{n+1}{\ln(n+1)} \leqslant \int_{n+1}^{n+2} f(x) \, dx
Puis :
∙   k=n+2   ⟹   ∫n+1n+2f(x) dx⩽n+2ln⁡(n+2)⩽∫n+2n+3f(x) dx\bullet \,\,\, k = n+2 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{n+1}^{n+2} f(x) \, dx \leqslant \dfrac{n+2}{\ln(n+2)} \leqslant \int_{n+2}^{n+3} f(x) \, dx
∙   k=n+3   ⟹   ∫n+2n+3f(x) dx⩽n+3ln⁡(n+3)⩽∫n+3n+4f(x) dx\bullet \,\,\, k = n+3 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{n+2}^{n+3} f(x) \, dx \leqslant \dfrac{n+3}{\ln(n+3)} \leqslant \int_{n+3}^{n+4} f(x) \, dx
⋮\vdots
∙   k=2n   ⟹   ∫2n−12nf(x) dx⩽2nln⁡(2n)⩽∫2n2n+1f(x) dx\bullet \,\,\, k = 2n \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{2n-1}^{2n} f(x) \, dx \leqslant \dfrac{2n}{\ln(2n)} \leqslant \int_{2n}^{2n+1} f(x) \, dx
Ainsi, par addition membres à membres et en faisant usage de la relation de ChaslesChasles, on trouve que :
∙   k∈[n+1 ; 2n]   ⟹   ∫n2nf(x) dx⩽∑k=n+12nkln⁡(k)⩽∫n+12n+1f(x) dx\bullet \,\,\, k \in [ n+1 \,;\, 2n ] \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{n}^{2n} f(x) \, dx \leqslant \sum_{k = n+1}^{2n} \dfrac{k}{\ln(k)} \leqslant \int_{n+1}^{2n+1} f(x) \, dx
Ce qui nous donne donc :
∙   n⩾3,  k∈[n+1 ; 2n]   ⟹   ∫n2nxln⁡(x) dx⩽un⩽∫n+12n+1xln⁡(x) dx\bullet \,\,\, n \geqslant 3, \,\, k \in [ n+1 \,;\, 2n ] \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant u_n \leqslant \int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx
Les deux intégrales présentent, comme minorant et majorant, ne sont pas calculables analytiquement à ce niveau de connaissances. C'est pourquoi nous allons "élargir" cette inégalité.
Concernant le minorant, sur l'intervalle d'intégration [n ; 2n][n \,;\, 2n], on a (puisque la fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur son domaine de définition) :
∫n2nxln⁡(2n) dx⩽∫n2nxln⁡(x) dx   ⟺   1ln⁡(2n)∫n2nx dx⩽∫n2nxln⁡(x) dx\int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(2n)} \, dx \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{\ln(2n)}\int_{n}^{2n} x \, dx \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx
Soit encore :
1ln⁡(2n)[x22]n2n⩽∫n2nxln⁡(x) dx   ⟺   12ln⁡(2n)[x2]n2n⩽∫n2nxln⁡(x) dx\dfrac{1}{\ln(2n)}\left[ \dfrac{x^2}{2} \right]_{n}^{2n} \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2\ln(2n)}\left[ x^2 \right]_{n}^{2n} \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx
Ce qui nous donne donc pour l'intégrale minorante :
12ln⁡(2n)((2n)2−n2)⩽∫n2nxln⁡(x) dx   ⟺   12ln⁡(2n)(4n2−n2)⩽∫n2nxln⁡(x) dx\dfrac{1}{2\ln(2n)} \left( (2n)^2 - n^2 \right) \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2\ln(2n)} \left( 4n^2 - n^2 \right) \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx
D'où :
3n22ln⁡(2n)⩽∫n2nxln⁡(x) dx\dfrac{3n^2}{2\ln(2n)} \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx
Concernant le majorant, sur l'intervalle d'intégration [n+1 ; 2n+1][n+1 \,;\, 2n+1], on a (puisque la fonction ln⁡\ln est strictement croissante sur son domaine de définition) :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽∫n+12n+1xln⁡(n+1) dx   ⟺   ∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽1ln⁡(n+1)∫n+12n+1x dx\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(n+1)} \, dx \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{\ln(n+1)} \int_{n+1}^{2n+1} x \, dx
Soit encore :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽1ln⁡(n+1)[x22]n+12n+1   ⟺   ∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽12ln⁡(n+1)[x2]n+12n+1\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{\ln(n+1)} \left[ \dfrac{x^2}{2} \right]_{n+1}^{2n+1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{2\ln(n+1)} \left[ x^2 \right]_{n+1}^{2n+1}
Ce qui nous donne donc pour l'intégrale majorante :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽12ln⁡(n+1)((2n+1)2−(n+1)2)\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{2\ln(n+1)} \left( (2n+1)^2 -(n+1)^2 \right)
Soit :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽12ln⁡(n+1)(4n2+4n+1−(n2+2n+1))\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{2\ln(n+1)} \left( 4n^2 + 4n + 1 -(n^2 + 2n + 1) \right)
Soit encore :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽12ln⁡(n+1)(4n2+4n+1−n2−2n−1)\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{1}{2\ln(n+1)} \left( 4n^2 + 4n + 1 - n^2 - 2n - 1 \right)
D'où :
∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽3n2+2n2ln⁡(n+1)\int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{3n^2 + 2n}{2\ln(n+1)}
Dès lors on aboutit à :
3n22ln⁡(2n)⩽∫n2nxln⁡(x) dx⩽un⩽∫n+12n+1xln⁡(x) dx⩽3n2+2n2ln⁡(n+1)\dfrac{3n^2}{2\ln(2n)} \leqslant \int_{n}^{2n} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant u_n \leqslant \int_{n+1}^{2n+1} \dfrac{x}{\ln(x)} \, dx \leqslant \dfrac{3n^2 + 2n}{2\ln(n+1)}
Ce qui nous conduit naturellement à l'encadrement "élargi", du terme unu_n, suivant :
3n22ln⁡(2n)⩽un⩽3n2+2n2ln⁡(n+1)\dfrac{3n^2}{2\ln(2n)} \leqslant u_n \leqslant \dfrac{3n^2 + 2n}{2\ln(n+1)}
Déterminons maintenant les équivalents, en +∞+ \infty, des deux termes qui encadre unu_n. Pour le nouveau minorant, on a :
3n22ln⁡(2n)=3n22(ln⁡(2)+ln⁡(n))\dfrac{3n^2}{2\ln(2n)} = \dfrac{3n^2}{2\big( \ln(2) + \ln(n)\big)}
Lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, le terme ln⁡(2)\ln(2) est totalement négligeable devant ln⁡(n)\ln(n). Ce qui nous permet d'écrire l'équivalent (du nouveau minorant) suivant :
3n22ln⁡(2n)∼∞3n22ln⁡(n)\dfrac{3n^2}{2\ln(2n)} \underset{\infty}{\sim} \dfrac{3n^2}{2\ln(n)}
Pour le nouveau majorant, on a :
3n2+2n2ln⁡(2n)=3n2(1+2n3n2)2(ln⁡(2)+ln⁡(n))=3n2(1+23n)2(ln⁡(2)+ln⁡(n))\dfrac{3n^2+2n}{2\ln(2n)} = \dfrac{3n^2 \left( 1 + \dfrac{2n}{3n^2} \right)}{2\big( \ln(2) + \ln(n)\big)} = \dfrac{3n^2 \left( 1 + \dfrac{2}{3n} \right)}{2\big( \ln(2) + \ln(n)\big)}
Lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty, le terme ln⁡(2)\ln(2) est totalement négligeable devant ln⁡(n)\ln(n). Puis, le terme 23n\dfrac{2}{3n} est lui totalement négligeable devant 11. Ce qui nous permet d'écrire l'équivalent (du nouveau minorant) suivant :
3n2+2n2ln⁡(2n)∼∞3n22ln⁡(n)\dfrac{3n^2 + 2n}{2\ln(2n)} \underset{\infty}{\sim} \dfrac{3n^2}{2\ln(n)}
Ainsi, on constate que le terme unu_n est encadré par un majorant et un minorant qui admettent le même équivalent en +∞+\infty. On en déduit donc que le terme unu_n à lui aussi ce même équivalent en +∞+\infty.
Finalement, on peut donc conclure que :
un∼∞3n22ln⁡(n)u_n \underset{\infty}{\sim} \dfrac{3n^2}{2\ln(n)}

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