Une limite sympathique - Exercice 1

30 min
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Voici un exercice pour vérifier ses acquis.
Question 1
Soit aa et bb deux nombres réels strictement positifs.

Calculer, si elle existe, la limite ℓ\ell suivante :
ℓ=lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb\ell = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb}

Correction
On a :
lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb=lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11n(a+knb)=lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11n1a+knb=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−11a+knb\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{1}{n \left( a + \dfrac{k}{n}b \right)} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{1}{n} \dfrac{1}{a + \dfrac{k}{n}b} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{1}{a + \dfrac{k}{n}b}
Posons maitenant f:R+⟶1a+xbf : \mathbb{R}^+ \longrightarrow \dfrac{1}{a + xb}. Cette fonction ff est positive, décroissante et continue pour x⩾0x \geqslant 0. Ainsi, on a :
lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−11a+knb=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−1f(kn)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{1}{a + \dfrac{k}{n}b} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( \dfrac{k}{n} \right)
Ceci peut également s'écrire comme :
lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−1f(0+kn)=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−1f(0+k1−0n)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + \dfrac{k}{n} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}}}{n} \right)
en faisant appelle à une somme de RiemannRiemann on obtient :
lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb=lim⁡n⟶+∞1n∑k=0n−1f(0+k1−0n)=11−0∫01f(x) dx=∫01f(x) dx\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb} = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\left( {\color{blue}{0}} + k\dfrac{{\color{red}{1}} - {\color{blue}{0}}}{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
On constate que l'intervalle [0 ; 1][ {\color{blue}{0}} \,;\, {\color{red}{1}} ] appartient bien à R+\mathbb{R}^+. On a alors :
∫01f(x) dx=∫011a+xb dx=1b∫01ba+xb dx=1b∫01(a+xb)′a+xb dx\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} \dfrac{1}{a + xb} \, dx = \dfrac{1}{b} \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} \dfrac{b}{a + xb} \, dx = \dfrac{1}{b} \int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} \dfrac{(a + xb)'}{a + xb} \, dx
Ce qui nous donne :
∫01f(x) dx=1b[ln⁡(a+xb)]01=1b(ln⁡(a+1b)−ln⁡(a+0b))=1b(ln⁡(a+b)−ln⁡(a))\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \dfrac{1}{b} \left[ \ln (a + xb) \right]_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} = \dfrac{1}{b} \big( \ln (a + {\color{red}{1}}b) - \ln (a + {\color{blue}{0}}b) \big) = \dfrac{1}{b} \big( \ln (a + b) - \ln (a) \big)
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme, on a donc :
∫01f(x) dx=1bln⁡(a+ba)=1bln⁡(aa+ba)=1bln⁡(1+ba)\int_{\color{blue}{0}}^{\color{red}{1}} f(x) \, dx = \dfrac{1}{b} \ln \left( \dfrac{a + b}{a} \right) = \dfrac{1}{b} \ln \left( \dfrac{a}{a} + \dfrac{b}{a}\right) = \dfrac{1}{b} \ln \left( 1+ \dfrac{b}{a}\right)
On en déduit alors que :
lim⁡n⟶+∞∑k=0n−11an+kb=1bln⁡(1+ba)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{1}{an + kb} = \dfrac{1}{b} \ln \left( 1+ \dfrac{b}{a}\right)
Finalement, on trouve que :
ℓ=1bln⁡(1+ba)\ell = \dfrac{1}{b} \ln \left( 1+ \dfrac{b}{a}\right)

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