Exercice 4 - Exercice 1

40 min
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Nouvelle étude d'une convergence.
Soient aa et bb deux nombres réels strictement positifs.
Soit (un)(u_n) la suite définie par :
un=an+bnnu_ n = \sqrt[n]{a^n + b^n}
Question 1

Etudiez la convergence de (un)(u_n) et son éventuelle limite.

Correction
On a :
ln⁡(un)=ln⁡(an+bnn)=ln⁡((an+bn)1n)=1nln⁡(an+bn)\ln \left( u_n \right) = \ln \left( \sqrt[n]{a^n + b^n} \right) = \ln \left( \left({a^n + b^n}\right)^{\frac{1}{n}} \right) = \dfrac{1}{n} \ln \left( a^n + b^n \right)
Les rôles de aa et bb étant similaires, on va devoir faire une supposition. Ainsi, on va supposer que a⩾ba \geqslant b. Dans ce cas on a va donc pouvoir écrire que :
ln⁡(un)=1nln⁡(an(1+bnan))=1nln⁡(an(1+(ba)n))\ln \left( u_n \right) = \dfrac{1}{n} \ln \left( a^n \left( 1+ \dfrac{b^n}{a^n} \right) \right) = \dfrac{1}{n} \ln \left( a^n \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right) \right)
Donc :
ln⁡(un)=1n(ln⁡(an)+ln⁡(1+(ba)n))=1n(nln⁡(a)+ln⁡(1+(ba)n))\ln \left( u_n \right) = \dfrac{1}{n} \left( \ln \left( a^n\right) + \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right) \right) = \dfrac{1}{n} \left( n\ln \left( a\right) + \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right) \right)
Soit :
ln⁡(un)=1nnln⁡(a)+1nln⁡(1+(ba)n)\ln \left( u_n \right) = \dfrac{1}{n} n\ln \left( a\right) + \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right)
Soit encore :
ln⁡(un)=ln⁡(a)+1nln⁡(1+(ba)n)\ln \left( u_n \right) = \ln \left( a\right) + \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right)
Effectuons maintenant un passage à la limite lorsque n⟶+∞n \longrightarrow + \infty. On a alors :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)=lim⁡n⟶+∞(ln⁡(a)+1nln⁡(1+(ba)n))=lim⁡n⟶+∞ln⁡(a)+lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1+(ba)n)\lim_{n \longrightarrow + \infty} \ln \left( u_n \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \ln \left( a\right) + \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right) \right) = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \ln \left( a\right) + \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right)
Ce qui nous donne :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)=ln⁡(a)+lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1+(ba)n)\lim_{n \longrightarrow + \infty} \ln \left( u_n \right) = \ln \left( a \right) + \lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right)
Comme a⩾ba \geqslant b cela implique que ba⩽1\dfrac{b}{a} \leqslant 1. De fait, on a :
lim⁡n⟶+∞1nln⁡(1+(ba)n)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{n} \ln \left( 1+ \left( \dfrac{b}{a} \right)^n \right) = 0
Ainsi, on obtient :
lim⁡n⟶+∞ln⁡(un)=ln⁡(a)\lim_{n \longrightarrow + \infty} \ln \left( u_n \right) = \ln \left( a \right)
En introduisant la fonction exponentielle, qui est continue sur R\mathbb{R}, on obtient donc :
lim⁡n⟶+∞un=a\lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n = a
Donc, si maintenant on a b⩾ab \geqslant a, on obtient :
lim⁡n⟶+∞un=b\lim_{n \longrightarrow + \infty} u_n = b

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