Déterminer le développement en série entière (DSE) de l'expression fonctionnelle (sin⁡(x))2\big( \sin(x) \big)^2. - Exercice 1

30 min
45
Question 1

Soit nn un nombre entier naturel et xx un nombre réel.
Déterminer le développement en série entière (DSE) de l'expression fonctionnelle (sin⁡(x))2\big( \sin(x) \big)^2.

Correction
On a :
(sin⁡(x))2=12(1−cos⁡(2x))=12−12cos⁡(2x)\big( \sin(x) \big)^2 = \dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) = \dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{2} \cos(2x)
Or on sait que, pour X∈RX \in \mathbb{R}, on a :
cos⁡(X)=∑n=0+∞(−1)n(2n)! X2n\cos(X) = \sum_{n = 0}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n}{(2n)!} \, X^{2n}
Posons donc X=2xX = 2x. On a alors :
cos⁡(2x)=∑n=0+∞(−1)n(2n)! (2x)2n=∑n=0+∞(−1)n(2n)! 22n x2n=∑n=0+∞(−1)n 22n(2n)! x2n=(−1)0 22×0(2×0)! x2×0+∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n\cos(2x) = \sum_{n = 0}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n}{(2n)!} \, (2x)^{2n} = \sum_{n = 0}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n}{(2n)!} \, 2^{2n} \, x^{2n} = \sum_{n = 0}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n} = \dfrac{(-1)^0 \, 2^{2 \times 0}}{(2 \times 0)!} \, x^{2 \times 0} + \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
D'où :
cos⁡(2x)=1×200! x0+∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n\cos(2x) = \dfrac{1 \times 2^{0}}{0!} \, x^{0} + \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
Comme 0!=10! = 1 on trouve que :
cos⁡(2x)=1+∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n\cos(2x) = 1 + \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
De fait :
1−cos⁡(2x)=1−1−∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n1 - \cos(2x) = 1 - 1 - \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
Soit :
1−cos⁡(2x)=−∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n1 - \cos(2x) = - \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
Soit encore :
1−cos⁡(2x)=(−1)1∑n=1+∞(−1)n 22n(2n)! x2n1 - \cos(2x) = (-1)^1 \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^n \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
Donc :
1−cos⁡(2x)=∑n=1+∞(−1)n+1 22n(2n)! x2n1 - \cos(2x) = \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^{n+1} \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
On en déduit alors que :
12(1−cos⁡(2x))=12∑n=1+∞(−1)n+1 22n(2n)! x2n\dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) = \dfrac{1}{2} \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^{n+1} \, 2^{2n}}{(2n)!} \, x^{2n}
Ce qui nous donne :
12(1−cos⁡(2x))=∑n=1+∞(−1)n+1 22n21×(2n)! x2n\dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) = \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^{n+1} \, 2^{2n}}{2^1 \times (2n)!} \, x^{2n}
En simplifiant, on obtient :
12(1−cos⁡(2x))=∑n=1+∞(−1)n+1 22n−1(2n)! x2n\dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) = \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^{n+1} \, 2^{2n-1}}{(2n)!} \, x^{2n}
Finalement, on obtient :
(sin⁡(x))2=∑n=1+∞(−1)n+1 22n−1(2n)! x2n\big( \sin(x) \big)^2 = \sum_{n = 1}^{+ \infty} \dfrac{(-1)^{n+1} \, 2^{2n-1}}{(2n)!} \, x^{2n}

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.