Une sympathique limite - Exercice 1

30 min
50
Un classique !
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel non nul. On pose :
un=(n!nn)1nu_n = \left( \dfrac{n!}{n^n} \right)^{\frac{1}{n}}

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

Correction
On constate que, pour tout nombre entier nn (non nul), le terme unu_n est strictement positif.
Donc, nous allons pouvoir introduire le logarithme népérien de unu_n afin d'éliminer la puissance en 1n\frac{1}{n}. On a alors :
ln⁡(un)=ln⁡((n!nn)1n)=1nln⁡(n!nn)=1nln⁡(n×(n−1)×⋯×2×1n×n×⋯×n×n)\ln(u_n) = \ln \left( \left( \dfrac{n!}{n^n} \right)^{\frac{1}{n}} \right) = \frac{1}{n} \ln \left( \dfrac{n!}{n^n} \right) = \frac{1}{n} \ln \left( \dfrac{n \times (n-1) \times \cdots \times 2 \times 1}{n \times n \times \cdots \times n \times n} \right)
Comme nn un nombre entier naturel non nul on a donc :
ln⁡(un)=1nln⁡((n−1)×⋯×2×1n×⋯×n×n)=1nln⁡(n−1n×⋯×2n×1n)\ln(u_n) = \frac{1}{n} \ln \left( \dfrac{(n-1) \times \cdots \times 2 \times 1}{ n \times \cdots \times n \times n} \right) = \frac{1}{n} \ln \left( \dfrac{n-1}{n} \times \cdots \times \dfrac{2}{n} \times \dfrac{1}{n} \right)
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme on a :
ln⁡(un)=1n(ln⁡(n−1n)+⋯+ln⁡(2n)+ln⁡(1n))=1n∑k=1n−1ln⁡(kn)\ln(u_n) = \frac{1}{n} \left( \ln \left( \dfrac{n-1}{n} \right) + \cdots + \ln \left( \dfrac{2}{n} \right) + \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) \right) = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n-1} \ln \left( \dfrac{k}{n} \right)
Ceci peut également s'écrire sous la forme :
ln⁡(un)=1n∑k=1n−1ln⁡(0+k1−0n)\ln(u_n) = \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n-1} \ln \left( 0 + k\dfrac{1-0}{n} \right)
Ceci à la forme d'une somme de RiemannRiemann mais cette somme n'est pas égale à l'intégrale de x⟶ln⁡(x)x \longrightarrow \ln(x) entre 00 et 11. En effet la fonction x⟶ln⁡(x)x \longrightarrow \ln(x) n'est pas définie en 00, qui aurait été la borne inférieure. C'est pourquoi nous allons procéder à une autre technique : l'encadrement.
Pour 2⩽k⩽n−12 \leqslant k \leqslant n-1 on a l'encadrement suivant (qui repose sur l'interprétation géométrique de l'intégrale) :
∫k−1nknln⁡(x) dx⩽1nln⁡(kn)⩽∫knk+1nln⁡(x) dx\int_{\frac{k-1}{n}}^{\frac{k}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{k}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{k}{n}}^{\frac{k+1}{n}} \ln(x) \, dx
Donc :
∙  k=2   ⟹   ∫1n2nln⁡(x) dx⩽1nln⁡(2n)⩽∫2n3nln⁡(x) dx\bullet \,\, k = 2 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{\frac{1}{n}}^{\frac{2}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{2}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{\frac{3}{n}} \ln(x) \, dx
∙  k=3   ⟹   ∫2n3nln⁡(x) dx⩽1nln⁡(3n)⩽∫3n4nln⁡(x) dx\bullet \,\, k = 3 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{\frac{2}{n}}^{\frac{3}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{3}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{3}{n}}^{\frac{4}{n}} \ln(x) \, dx
⋮\vdots
∙  k=n−1   ⟹   ∫n−2nn−1nln⁡(x) dx⩽1nln⁡(n−1n)⩽∫n−1nnnln⁡(x) dx\bullet \,\, k = n-1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_{\frac{n-2}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{n-1}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{n-1}{n}}^{\frac{n}{n}} \ln(x) \, dx
Donc en additionnant, membres à membres, puis en faisant usage de la relation de ChaslesChasles, on a :
∫1nn−1nln⁡(x) dx⩽1n(ln⁡(2n)+ln⁡(3n)+⋯+ln⁡(n−1n))⩽∫2nnnln⁡(x) dx\int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \left( \ln \left( \dfrac{2}{n} \right) + \ln \left( \dfrac{3}{n} \right) + \cdots + \ln \left( \dfrac{n-1}{n} \right) \right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{\frac{n}{n}} \ln(x) \, dx
Soit encore :
∫1nn−1nln⁡(x) dx⩽1n(ln⁡(1n)+ln⁡(2n)+ln⁡(3n)+⋯+ln⁡(n−1n)−ln⁡(1n))⩽∫2n1ln⁡(x) dx\int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \left( \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) + \ln \left( \dfrac{2}{n} \right) + \ln \left( \dfrac{3}{n} \right) + \cdots + \ln \left( \dfrac{n-1}{n} \right) - \ln \left( \dfrac{1}{n} \right)\right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx
De même :
∫1nn−1nln⁡(x) dx⩽1n(∑k=1n−1ln⁡(kn)−ln⁡(1n))⩽∫2n1ln⁡(x) dx\int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \left( \sum_{k=1}^{n-1} \ln \left( \dfrac{k}{n} \right) - \ln \left( \dfrac{1}{n} \right)\right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx
D'où :
∫1nn−1nln⁡(x) dx⩽1n∑k=1n−1ln⁡(kn)−1nln⁡(1n)⩽∫2n1ln⁡(x) dx\int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \dfrac{1}{n} \sum_{k=1}^{n-1} \ln \left( \dfrac{k}{n} \right) - \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx
Egalement :
∫1nn−1nln⁡(x) dx⩽ln⁡(un)−1nln⁡(1n)⩽∫2n1ln⁡(x) dx\int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \leqslant \ln(u_n) - \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) \leqslant \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx
Posons :
mn=∫1nn−1nln⁡(x) dxetMn=∫2n1ln⁡(x) dxm_n = \int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx \hspace{1cm} et \hspace{1cm} M_n = \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx
Ce qui nous permet d'écrire que :
mn⩽ln⁡(un)−1nln⁡(1n)⩽Mnm_n \leqslant \ln(u_n) - \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) \leqslant M_n
On a alors :
mn=∫1nn−1nln⁡(x) dx=[xln⁡(x)−x]1nn−1n=n−1nln⁡(n−1n)−n−1n−1nln⁡(1n)+1nm_n = \int_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} \ln(x) \, dx = [x \ln(x) - x]_{\frac{1}{n}}^{\frac{n-1}{n}} = \frac{n-1}{n} \ln\left( \dfrac{n-1}{n} \right) - \frac{n-1}{n} - \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right) + \frac{1}{n}
Soit encore :
mn=(1−1n)ln⁡(1−1n)−n−2n−1nln⁡(1n)=(1−1n)ln⁡(1−1n)−(1−2n)−1nln⁡(1n)m_n = \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \ln\left( 1 - \frac{1}{n} \right) - \frac{n-2}{n} - \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right) = \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \ln\left( 1 - \frac{1}{n} \right) - \left( 1 - \frac{2}{n} \right) - \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right)
Passons maintenant à la limite lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty. Ainsi :
lim⁡n⟶+∞mn=lim⁡n⟶+∞((1−1n)ln⁡(1−1n)−(1−2n)−1nln⁡(1n))\lim_{n \longrightarrow +\infty} m_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \ln\left( 1 - \frac{1}{n} \right) - \left( 1 - \frac{2}{n} \right) - \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right) \right)
Ce qui nous donne :
lim⁡n⟶+∞mn=lim⁡n⟶+∞(1−1n)ln⁡(1−1n)−lim⁡n⟶+∞(1−2n)−lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)\lim_{n \longrightarrow +\infty} m_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \ln\left( 1 - \frac{1}{n} \right) - \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 - \frac{2}{n} \right) - \lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right)
Avec les limites (classiques) suivantes :
lim⁡n⟶+∞(1−1n)ln⁡(1−1n)=lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 - \frac{1}{n} \right) \ln\left( 1 - \frac{1}{n} \right) = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{1}{n} \ln\left( \dfrac{1}{n} \right) = 0
Et :
lim⁡n⟶+∞(1−2n)=1\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( 1 - \frac{2}{n} \right) = 1
On obtient alors :
lim⁡n⟶+∞mn=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} m_n = - 1
Puis :
Mn=∫2n1ln⁡(x) dx=[xln⁡(x)−x]2n1=1ln⁡(1)−1−2nln⁡(2n)+2n=−1−2nln⁡(2n)+2nM_n = \int_{\frac{2}{n}}^{1} \ln(x) \, dx = [x \ln(x) - x]_{\frac{2}{n}}^{1} = 1\ln\left( 1 \right) - 1 - \frac{2}{n} \ln\left( \dfrac{2}{n} \right) + \frac{2}{n} = - 1 - \frac{2}{n} \ln\left( \dfrac{2}{n} \right) + \frac{2}{n}
Soit encore :
Passons maintenant à la limite lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty. Ainsi :
lim⁡n⟶+∞Mn=lim⁡n⟶+∞(−1−2nln⁡(2n)+2n)=−1−lim⁡n⟶+∞2nln⁡(2n)+lim⁡n⟶+∞2n\lim_{n \longrightarrow +\infty} M_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( - 1 - \frac{2}{n} \ln\left( \dfrac{2}{n} \right) + \frac{2}{n} \right) = - 1 - \lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{2}{n} \ln\left( \dfrac{2}{n} \right) + \lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{2}{n}
Avec les limites (classiques) suivantes :
lim⁡n⟶+∞2nln⁡(2n)+lim⁡n⟶+∞2n=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{2}{n} \ln\left( \dfrac{2}{n} \right) + \lim_{n \longrightarrow +\infty} \frac{2}{n} = 0
On obtient alors :
lim⁡n⟶+∞Mn=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} M_n = - 1
On constate que lim⁡n⟶+∞mn=lim⁡n⟶+∞Mn=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} m_n = \lim_{n \longrightarrow +\infty} M_n = - 1. Donc, en vertu du théorème de l'encadrement, on peut affirmer que :
lim⁡n⟶+∞(ln⁡(un)−1nln⁡(1n))=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} \left( \ln(u_n) - \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) \right) = - 1
Ce qui nous permet d'écrire que :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)−lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln(u_n) - \lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) = - 1
Cependant, on sait que lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right). Donc :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)−0=−1   ⟺   lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)=−1\lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln(u_n) - 0 = - 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \lim_{n \longrightarrow +\infty} \ln(u_n) = - 1
En introduisant maintenant l'exponentielle, on a :
elim⁡n⟶+∞ln⁡(un)=e−1   ⟺   lim⁡n⟶+∞eln⁡(un)=1ee^{\displaystyle{\lim_{n \longrightarrow +\infty}} \ln(u_n)} = e^{- 1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \lim_{n \longrightarrow +\infty} e^{\ln(u_n)} = \dfrac{1}{e}
On trouve alors :
lim⁡n⟶+∞un=1e\lim_{n \longrightarrow +\infty} u_n = \dfrac{1}{e}
Finalement :
ℓ=1e\ell = \dfrac{1}{e}
♣  Remarque:{\color{blue}{\bf{\clubsuit \,\, Remarque :}}}
Pour calculer la limite lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) il suffit de poser X=1nX = \dfrac{1}{n}. Ainsi lorsque n⟶+∞n \longrightarrow +\infty on a X⟶0X \longrightarrow 0. De fait :
lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)=lim⁡X⟶0Xln⁡(X)\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) = \lim_{X \longrightarrow 0} X \ln \left( X \right)
Puis, par croissances comparées entre le polynôme du premier degré XX et le terme logarithmique ln⁡(X)\ln(X) on peut affirmer que :
lim⁡X⟶0Xln⁡(X)=0\lim_{X \longrightarrow 0} X \ln \left( X \right) = 0
Et de fait :
lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1n)=0\lim_{n \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( \dfrac{1}{n} \right) = 0

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