Déterminer le développement en série entière de la fonction f:R⟶Rf : \mathbb{R} \longrightarrow \mathbb{R} suivante : f(x)=ex2∫0xe−t2 dtf(x) = e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t - Exercice 1

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Question 1

Déterminer le développement en série entière (D.S.E) de la fonction f:R⟶Rf : \mathbb{R} \longrightarrow \mathbb{R} suivante :
f(x)=ex2∫0xe−t2 dtf(x) = e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t
⇝  \rightsquigarrow \,\, Indication : pour bien deˊmarrer ...\textbf{Indication : pour bien démarrer ...}
Vous montrerez que ff est la solution de l'équation différentielle (E) suivante y′−2xy=1y' - 2x y =1.

Correction
La fonction exponentielle est D.S.E. donc il en va de même pour la fonction x⟼e−x2x \longmapsto e^{-x^2}.
De par les propriétés de convergence des séries entières, on en déduit immédiatement que (par intégration)
la fonction x⟼∫0xe−t2 dtx \longmapsto \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t est également D.S.E..
On a la fonction dérivée f′f' suivante :
f′(x)=(ex2∫0xe−t2 dt)′=(ex2)′∫0xe−t2 dt+ex2(∫0xe−t2 dt)′f'(x) = \left( e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t \right)' = \left( e^{x^2} \right)' \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t + e^{x^2} \left( \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t \right)'
Soit :
f′(x)=2xex2∫0xe−t2 dt+ex2(∫0xe−t2 dt)′f'(x) = 2x e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t + e^{x^2} \left( \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t \right)'
Notons par HH une primitive de e−t2e^{-t^2}. Dans ce cas, H′(x)=e−x2H'(x) = e^{-x^2} on a :
∫0xe−t2 dt=H(x)−H(0)    ⟹    (∫0xe−t2 dt)′=H′(x)−H′(0)\int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t = H(x) - H(0) \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \left( \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t \right)' = H'(x) - H'(0)
Soit encore :
(∫0xe−t2 dt)′=e−x2−0\left( \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t \right)' = e^{-x^2} - 0
Donc, on obtient :
f′(x)=2xex2∫0xe−t2 dt+ex2e−x2f'(x) = 2x e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t + e^{x^2} e^{-x^2}
Donc, on peut écrire :
f′(x)=2xex2∫0xe−t2 dt+1    ⟺    f′(x)=2xf(x)+1f'(x) = 2x e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, \mathrm{d}t + 1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, f'(x) = 2x f(x) + 1
Ce qui nous donne :
f′(x)−2xf(x)=1f'(x) - 2x f(x) = 1
Ainsi ff est la solution de l'équation différentielle (E) suivante : y′−2xy=1y' - 2x y =1.
Cherchons maintenant une solution à cette équation différentielle sous la forme d'une série entière, à savoir :
f(x)=∑n=0+∞anxnf(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^n
Ce qui implique que :
xf(x)=∑n=0+∞anxn+1     et     f′(x)=∑n=1+∞nanxn−1xf(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^{n+1} \,\,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\,\, f'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} n a_n x^{n-1}
Mais on a :
f′(x)=∑n=1+∞nanxn−1=a1+∑n=2+∞nanxn−1f'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} n a_n x^{n-1} = a_1 + \sum_{n=2}^{+\infty} n a_n x^{n-1}
Donc, en posant N=n−2   ⟺   N+2=nN = n-2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, N+2 = n, on obtient :
f′(x)=a1+∑N=0+∞(N+2)aN+2xN+2−1=a1+∑N=0+∞(N+2)aN+2xN+1f'(x) = a_1 + \sum_{N=0}^{+\infty} (N+2) a_{N+2} x^{N+2-1} = a_1 + \sum_{N=0}^{+\infty} (N+2) a_{N+2} x^{N+1}
Or, l'indice NN est muet, donc opérons la substitution d'écriture N⇌nN \rightleftharpoons n ; ce qui nous donne alors :
f′(x)=a1+∑n=0+∞(n+2)an+2xn+1f'(x) = a_1 + \sum_{n=0}^{+\infty} (n+2) a_{n+2} x^{n+1}
L'équation (E) devient alors :
a1+∑n=0+∞(n+2)an+2xn+1−2∑n=0+∞anxn+1=1a_1 + \sum_{n=0}^{+\infty} (n+2) a_{n+2} x^{n+1} - 2\sum_{n=0}^{+\infty} a_n x^{n+1} = 1
Soit encore :
a1+∑n=0+∞[(n+2)an+2−2an]xn+1=1a_1 + \sum_{n=0}^{+\infty} \left[ (n+2) a_{n+2} - 2 a_n \right] x^{n+1} = 1
Que nous pouvons réécrire sous la forme :
a1+∑n=0+∞[(n+2)an+2−2an]xn+1=1+∑n=0+∞0xn+1a_1 + \sum_{n=0}^{+\infty} \left[ (n+2) a_{n+2} - 2 a_n \right] x^{n+1} = 1 + \sum_{n=0}^{+\infty} 0 x^{n+1}
Donc, on en déduit de suite que
a1=1      et      (n+2)an+2−2an=0a_1 = 1 \,\,\,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\,\,\, (n+2) a_{n+2} - 2 a_n = 0
Soit :
a1=1      et      an+2=2n+2ana_1 = 1 \,\,\,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\,\,\, a_{n+2} = \dfrac{2}{n+2} a_n
Pour itérer cette relation de récurrence il nous faut distinguer le cas des nn pairs et des nn impairs.
Comme on a :
f(0)=f(0)     ⟺     ∑n=0+∞an0n=e02∫00e−t2 dt     ⟺     a0=0f(0) = f(0) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \sum_{n=0}^{+\infty} a_n 0^n = e^{0^2} \int_{0}^{0} e^{-t^2} \, dt \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, a_0 = 0
Ainsi, pour tout nn pair, on a an=0a_n = 0.
Puis, comme on sait que a1=1a_1 = 1 alors, on trouve que pour nn impair (n=2p+1n=2p+1 avec p∈Np \in \mathbb{N}) :
a2p+1=22p+1×22p−1×...×23×a1     ⟺     a2p+1=22p+1×22p−1×...×23×1a_{2p+1} = \dfrac{2}{2p+1} \times \dfrac{2}{2p-1} \times ...\times \dfrac{2}{3} \times a_1 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, a_{2p+1} = \dfrac{2}{2p+1} \times \dfrac{2}{2p-1} \times ...\times \dfrac{2}{3} \times 1
Soit :
a2p+1=2p(2p+1)(2p−1)...1a_{2p+1} = \dfrac{2^p}{(2p+1)(2p-1) ... 1}
En complétant avec les termes pairs, à la fois au numérateur et au dénominateur (afin de faire apparaître l'expression (2p+1)!(2p+1)! au dénominateur), on obtient :
a2p+1=2p(2p)(2p−2)...2(2p+1)(2p)(2p−1)(2p−2)...2×1     ⟺     a2p+1=2p2p(p)(p−1)...1(2p+1)!a_{2p+1} = \dfrac{2^p (2p)(2p-2)...2}{(2p+1)(2p)(2p-1)(2p-2) ... 2 \times 1} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, a_{2p+1} = \dfrac{2^p 2^p (p)(p-1)...1}{(2p+1)!}
Ce qui nous donne :
a2p+1=(2p)2p!(2p+1)!     ⟺     a2p+1=22pp!(2p+1)!a_{2p+1} = \dfrac{(2^p)^2 p!}{(2p+1)!} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, a_{2p+1} = \dfrac{2^{2p} p!}{(2p+1)!}
Finalement, on en déduit le D.S.E. de la fonction ff :
f(x)=ex2∫0xe−t2 dt=∑p=0∞22pp!(2p+1)!x2p+1f(x) = e^{x^2} \int_{0}^{x} e^{-t^2} \, dt = \sum_{p=0}^{\infty} \dfrac{2^{2p} p!}{(2p+1)!} x^{2p+1}

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