Etudier la convergence de cette série de fonctions S(x)=∑n=0+∞(−1)nxnln⁡n(x)n!S(x)= \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x^n\ln^n(x)}{n ! } - Exercice 1

1 h
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Soit xx un nombre réel tel que x∈]0 ; 1]x \in ]0 \,;\,1].
On pose un(x)=(−1)nxnln⁡n(x)n!u_n(x) = (-1)^n\dfrac{x^n\ln^n(x)}{n ! } avec n∈Nn \in \mathbb{N}.
En outre, on impose que, pour n≠0n \neq 0, on a un(0)=0u_n(0) =0. De plus, on pose que u0(0)=0u_0(0) =0.
On note par S(x)=∑n=0+∞un(x)S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x).
Question 1

Etudier la convergence de cette série de fonctions S(x)S(x).

Correction
Soit ff la fonction suivante :
f:v∈]0 ; 1],  f(v)=−vln⁡(v)    et    f(0)=0f : v \in ]0 \,;\,1], \,\, f(v) = - v \ln(v) \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, f(0) = 0
La fonction est dérivable sur ]0 ; 1]]0 \,;\,1] et on a immédiatement :
f′:v∈]0 ; 1],  f′(v)=−(ln⁡(v)+1)f' : v \in ]0 \,;\,1], \,\, f'(v) = - \left( \ln(v) + 1 \right)
On constate que f′(v)=0f'(v) = 0 conduit à v=1ev = \dfrac{1}{e}. De fait, on a :
- si 0<v<1e0 < v < \dfrac{1}{e} on a f′(v)>0f'(v) > 0 et en conséquence ff y est croissante ;
- si v=1ev = \dfrac{1}{e} on a f′(v)=0f'(v) = 0 et en conséquence ff y est stationnaire ;
- si 1e<v⩽1\dfrac{1}{e} < v \leqslant 1 on a f′(v)<0f'(v) < 0 et en conséquence ff y est décroissante.
En outre, on a f(0)=0f(0) = 0 et f(1)=0f(1) = 0. Ceci permet d'affirmer qu'en v=1ev = \dfrac{1}{e} la fonction ff est maximale et sa valeur maximale est de :
fmax⁡[0 ; 1]=f(1e)=−1eln⁡(1e)=1eln⁡(e)=1ef_{\underset{[0 \,;\,1]}{\max}} = f \left( \dfrac{1}{e} \right) = - \dfrac{1}{e} \ln\left( \dfrac{1}{e} \right) = \dfrac{1}{e} \ln\left( e \right) = \dfrac{1}{e}
Comme on a un(x)=fn(x)n!u_n(x) = \dfrac{f^n(x)}{n!}, en conséquence directe, nous pouvons écrire que :
∀v∈[0 ; 1],  0⩽un(v)⩽(1e)nn!=1n! en\forall v \in [0 \,;\,1], \,\, 0 \leqslant u_n(v) \leqslant \dfrac{\left(\dfrac{1}{e}\right)^n}{n!} = \dfrac{1}{n! \, e^n}
Dit autrement :
∀v∈[0 ; 1],  ∣un(v)∣⩽1n! en\forall v \in [0 \,;\,1], \,\, \left\vert u_n(v) \right\vert \leqslant \dfrac{1}{n! \, e^n}
Donc :
sup⁡[0 ; 1]∣un(v)∣=1n! en   ⟺   ∣∣ un(v) ∣∣∞=1n! en\underset{[0 \,;\,1]}{\sup} \left\vert u_n(v) \right\vert = \dfrac{1}{n! \, e^n} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, || \, u_n(v) \, ||_{\infty} = \dfrac{1}{n! \, e^n}
Ainsi, pour statuer sur la nature de la série S(x)S(x), il nous reste à étudier la convergence de la série numérique ∑n=0+∞1n! en\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{n! \, e^n}. A cet usage, utilisons le critère de d'Alembert. On a alors :
1(n+1)! en+11n! en=n! en(n+1)! en+1=n! en(n+1)n! een=1(n+1) e\dfrac{\dfrac{1}{(n+1)! \, e^{n+1}}}{\dfrac{1}{n! \, e^n}} = \dfrac{n! \, e^n}{(n+1)! \, e^{n+1}} = \dfrac{n! \, e^n}{(n+1)n! \, ee^n} = \dfrac{1}{(n+1) \, e}
De plus, comme n∈Nn \in \mathbb{N}, on a alors 0<1(n+1) e<10 < \dfrac{1}{(n+1) \, e} < 1. Il est donc possible d'affirmer que la série numérique ∑n=0+∞1n! en\sum_{n=0}^{+\infty}\dfrac{1}{n! \, e^n} est convergente. En conséquence, la série de fonctions S(x)S(x) est normalement convergente sur l'intervalle [0 ; 1][0 \,;\,1].

Question 2

Donner la somme de cette série de fonctions S(x)S(x).

Correction
On sait que pour tout nombre réel XX on a :
eX=∑n=0+∞Xnn!e^X = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{X^n}{n!}
Or, nous avons :
S(x)=∑n=0+∞un(x)=∑n=0+∞(−1)nxnln⁡n(x)n!=∑n=0+∞(−xln⁡(x))nn!=∑n=0+∞(ln⁡(x−x))nn!S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} (-1)^n\dfrac{x^n\ln^n(x)}{n!} = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{\left( -x\ln(x) \right)^n}{n!} = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{\left( \ln\left( x^{-x} \right) \right)^n}{n!}
Donc, on en déduit alors que (X=ln⁡(x−x))\left(X = \ln\left( x^{-x} \right) \right) :
S(x)=eln⁡(x−x)S(x) = e^{\ln\left( x^{-x} \right)}
Finalement :
S(x)=x−xS(x) = x^{-x}
Question 3

Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Soit pp un nombre entier naturel tel que 0⩽p⩽n0 \leqslant p \leqslant n. Calculer ∫01xnln⁡p(x) dx\int_0^1 x^n \ln^p(x) \, dx.

Correction
Soit gg la fonction numérique suivante :
g:x∈]0 ; 1],  g(x)=xnln⁡p(x)   avec:0⩽p⩽ng : x \in ]0 \,;\, 1], \,\, g(x) = x^n \ln^p(x) \,\,\, \mathrm{avec} : 0 \leqslant p \leqslant n
De plus, par croissances comparées, on a :
lim⁡x⟶0xnln⁡p(x)=0\lim_{x \longrightarrow 0} x^n \ln^p(x) = 0
Ainsi imposons g(0)=0g(0) = 0 ce qui nous permet de prolonger gg sur l'intervalle [0 ; 1][0 \,;\, 1].
Posons maintenant :
I(n ; p)=∫01xnln⁡p(x) dxI(n\,;\,p) = \int_0^1 x^n \ln^p(x) \, dx
A l'aide d'une intégration par parties, on obtient :
I(n ; p)=∫01xnln⁡p(x) dx=[xn+1n+1×ln⁡p(x)]01−∫01xn+1n+1×p1xln⁡p−1(x) dxI(n\,;\,p) = \int_0^1 x^n \ln^p(x) \, dx = \left[ \dfrac{x^{n+1}}{n+1} \times \ln^p(x) \right]_0^1 - \int_0^1 \dfrac{x^{n+1}}{n+1} \times p \dfrac{1}{x}\ln^{p-1}(x) \, dx
Comme ln⁡(1)=0\ln(1) = 0, on a alors :
I(n ; p)=0−pn+1∫01xnln⁡p−1(x) dxI(n\,;\,p) = 0 - \dfrac{p}{n+1}\int_0^1 x^n\ln^{p-1}(x) \, dx
Soit :
I(n ; p)=−pn+1I(n ; p−1)I(n\,;\,p) = - \dfrac{p}{n+1}I(n\,;\,p-1)
Ainsi, par récurrence sur pp, on obtient :
I(n ; p)=(−p−0n+1I(n ; p−1))×(−p−1n+1I(n ; p−2))×⋯×(−p−(p−1)n+1I(n ; p−p))I(n\,;\,p) = \left( - \dfrac{p-0}{n+1}I(n\,;\,p-1) \right) \times \left( - \dfrac{p-1}{n+1}I(n\,;\,p-2) \right) \times \cdots \times \left( - \dfrac{p-(p-1)}{n+1}I(n\,;\,p-p) \right)
Soit :
I(n ; p)=(−pn+1I(n ; p−1))×(−p−1n+1I(n ; p−2))×⋯×(−1n+1I(n ; 0))I(n\,;\,p) = \left( - \dfrac{p}{n+1}I(n\,;\,p-1) \right) \times \left( - \dfrac{p-1}{n+1}I(n\,;\,p-2) \right) \times \cdots \times \left( - \dfrac{1}{n+1}I(n\,;\,0) \right)
Soit encore :
I(n ; p)=(−1)pp×p−1×⋯×1(n+1)pI(n ; 0)I(n\,;\,p) = (-1)^p \dfrac{p \times p-1 \times \cdots \times 1}{(n+1)^p} I(n\,;\,0)
D'où :
I(n ; p)=(−1)pp!(n+1)pI(n ; 0)I(n\,;\,p) = (-1)^p \dfrac{p !}{(n+1)^p} I(n\,;\,0)
Avec :
I(n ; 0)=∫01xnln⁡0(x) dx=∫01xn1 dx=∫01xn dx=[xn+1n+1]01=1n+1n+1−0n+1n+1=1n+1−0=1n+1I(n\,;\,0) = \int_0^1 x^n \ln^0(x) \, dx = \int_0^1 x^n 1 \, dx = \int_0^1 x^n \, dx = \left[ \dfrac{x^{n+1}}{n+1} \right]_0^1 = \dfrac{1^{n+1}}{n+1} - \dfrac{0^{n+1}}{n+1} = \dfrac{1}{n+1} - 0 = \dfrac{1}{n+1}
I(n ; p)=(−1)pp!(n+1)p1n+1I(n\,;\,p) = (-1)^p \dfrac{p !}{(n+1)^p} \dfrac{1}{n+1}
Ainsi :
I(n ; p)=(−1)pp!(n+1)p+1I(n\,;\,p) = (-1)^p \dfrac{p !}{(n+1)^{p+1}}
Question 4

En déduire, pour tout nombre entier naturel nn, la valeur de ∫01un(x) dx\int_0^1 u_n(x) \, dx.

Correction
On a :
∫01un(x) dx=∫01(−1)nxnln⁡n(x)n! dx=(−1)nn!∫01xnln⁡n(x) dx=(−1)nn!I(n ; n)\int_0^1 u_n(x) \, dx = \int_0^1 (-1)^n\dfrac{x^n\ln^n(x)}{n ! } \, dx = \dfrac{(-1)^n}{n !} \int_0^1 x^n \ln^n(x) \, dx = \dfrac{(-1)^n}{n !} I(n\,;\,n)
Or, on a :
I(n ; n)=(−1)nn!(n+1)n+1I(n\,;\,n) = (-1)^n \dfrac{n !}{(n+1)^{n+1}}
Donc :
∫01un(x) dx=(−1)nn!×(−1)nn!(n+1)n+1=((−1)n)21(n+1)n+1\int_0^1 u_n(x) \, dx = \dfrac{(-1)^n}{n !} \times (-1)^n \dfrac{n !}{(n+1)^{n+1}} = \left( (-1)^n\right)^2 \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}}
Comme ((−1)n)2=1\left( (-1)^n\right)^2 = 1, on trouve que :
∫01un(x) dx=1(n+1)n+1\int_0^1 u_n(x) \, dx = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}}
Question 5

Soit n∈Nn \in \mathbb{N}. Soit Rn=∑k=n+1+∞k−kR_n = \sum_{k = n+1}^{+\infty} k^{-k}. Déterminer, en fonction de nn, un majorant de RnR_n.

Correction
On constate que k⩾n+1k \geqslant n+1, de fait on a :
kk⩾(n+1)kk^k \geqslant (n+1)^{k}
Soit :
1kk⩽1(n+1)k\dfrac{1}{k^k} \leqslant \dfrac{1}{(n+1)^{k}}
Soit encore :
k−k⩽1(n+1)kk^{-k} \leqslant \dfrac{1}{(n+1)^{k}}
Ce qui implique que :
∑k=n+1n+pk−k⩽∑k=n+1n+p1(n+1)k\sum_{k = n+1}^{n+p} k^{-k} \leqslant \sum_{k = n+1}^{n+p} \dfrac{1}{(n+1)^{k}}
Ainsi :
∑k=n+1n+pk−k⩽∑k=n+1n+p(1n+1)k\sum_{k = n+1}^{n+p} k^{-k} \leqslant \sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k}
Le terme ∑k=n+1n+p(1n+1)k\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} représente une somme de pp termes d'une suite géométrique de raison 1n+1\dfrac{1}{n+1} et de premier élément (1n+1)n+1=1(n+1)n+1\left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{n+1} = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}}. Ceci nous permet d'écrire que :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=1(n+1)n+1×1−(1n+1)p1−1n+1\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}} \times \dfrac{1 - \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{p}}{1 - \dfrac{1}{n+1}}
Ce qui nous donne :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=1(n+1)n+1×1−(1n+1)pn+1n+1−1n+1\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}} \times \dfrac{1 - \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{p}}{\dfrac{n+1}{n+1} - \dfrac{1}{n+1}}
D'où :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=1(n+1)n+1×1−(1n+1)pn+1−1n+1\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}} \times \dfrac{1 - \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{p}}{\dfrac{n+1-1}{n+1}}
On a alors :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=1(n+1)n+1×1−(1n+1)pnn+1\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}} \times \dfrac{1 - \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{p}}{\dfrac{n}{n+1}}
Qui va également s'écrire comme :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=n+1n(n+1)n+1×(1−1(n+1)p)\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{n+1}{n(n+1)^{n+1}} \times \left( 1 - \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
En simplifiant :
∑k=n+1n+p(1n+1)k=1n(n+1)n×(1−1(n+1)p)\sum_{k = n+1}^{n+p} \left( \dfrac{1}{n+1}\right)^{k} = \dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \left( 1 - \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
Ceci nous permet donc d'écrire que :
∑k=n+1n+pk−k⩽1n(n+1)n×(1−1(n+1)p)\sum_{k = n+1}^{n+p} k^{-k} \leqslant\dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \left( 1 - \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
En passant à la limite lorsque p⟶+∞p \longrightarrow +\infty on trouve que :
lim⁡p⟶+∞∑k=n+1n+pk−k⩽lim⁡p⟶+∞1n(n+1)n×(1−1(n+1)p)\lim_{p \longrightarrow +\infty} \sum_{k = n+1}^{n+p} k^{-k} \leqslant \lim_{p \longrightarrow +\infty}\dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \left( 1 - \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
On a alors :
∑k=n+1+∞k−k⩽1n(n+1)n×lim⁡p⟶+∞(1−1(n+1)p)\sum_{k = n+1}^{+\infty} k^{-k} \leqslant \dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \lim_{p \longrightarrow +\infty} \left( 1 - \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
Donc :
Rn⩽1n(n+1)n×(1−lim⁡p⟶+∞1(n+1)p)R_n \leqslant \dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \left( 1 - \lim_{p \longrightarrow +\infty} \dfrac{1}{\left(n+1\right)^{p}} \right)
Ce qui nous donne :
Rn⩽1n(n+1)n×(1−0)R_n \leqslant \dfrac{1}{n(n+1)^{n}} \times \left( 1 - 0 \right)
Finalement, on obtient la majoration suivante :
Rn⩽1n(n+1)nR_n \leqslant \dfrac{1}{n(n+1)^{n}}
Question 6

En déduire une valeur approchée à 10−410^{-4} près de l'intégrale ∫01x−x dx\int_0^1 x^{-x} \, dx.

Correction
On sait que :
S(x)=x−xS(x) = x^{-x}
Donc :
∫01x−x dx=∫01S(x) dx\int_0^1 x^{-x} \, dx = \int_0^1 S(x) \, dx
Soit :
∫01x−x dx=∫01(∑n=0+∞un(x)) dx\int_0^1 x^{-x} \, dx = \int_0^1 \left( \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x) \right) \, dx
La convergence normale de la série de fonction S(x)S(x) sur l'intervalle [0 ; 1][0\,;\,1] induit la convergence uniforme. Cette dernière nous permet d'écrire que :
∫01(∑n=0+∞un(x)) dx=∑n=0+∞(∫01un(x) dx)\int_0^1 \left( \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x) \right) \, dx = \sum_{n=0}^{+\infty} \left( \int_0^1 u_n(x) \, dx \right)
Ce qui nous donne :
∫01(∑n=0+∞un(x)) dx=∑n=0+∞(1(n+1)n+1)\int_0^1 \left( \sum_{n=0}^{+\infty} u_n(x) \right) \, dx = \sum_{n=0}^{+\infty} \left( \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}}\right)
De fait, cela implique que :
∫01x−x dx=∑n=0+∞1(n+1)n+1\int_0^1 x^{-x} \, dx = \sum_{n=0}^{+\infty} \dfrac{1}{(n+1)^{n+1}}
Introduisons alors la somme partielle SnS_n suivante :
Sn=∑k=0n1(k+1)k+1=∑k=1n+11kkS_n = \sum_{k=0}^{n} \dfrac{1}{(k+1)^{k+1}} = \sum_{k=1}^{{\color{red}{n+1}}} \dfrac{1}{k^k}
Soit encore :
Sn=∑k=1n+1k−kS_n = \sum_{k=1}^{{\color{red}{n+1}}} k^{-k}
De fait, il est légitime de considérer que cette somme partielle SnS_n est la valeur approchée de l'intégrale ∫01x−x dx\int_0^1 x^{-x} \, dx.
D'après la question précédente, on peut majorer l'erreur commise en approximant la valeur de l'intégrale ∫01x−x dx\int_0^1 x^{-x} \, dx par la somme partielle SnS_n à l'aide du majorant 1(n+1)(n+1+1)n+1=1(n+1)(n+2)n+1\dfrac{1}{({\color{red}{n+1}})({\color{red}{n+1}}+1)^{{\color{red}{n+1}}}} = \dfrac{1}{(n+1)(n+2)^{n+1}}.
Ainsi, il nous suffit d'écrire que :
1(n+1)(n+2)n+1<10−4   ⟺   1(n+1)(n+2)n+1<1104\dfrac{1}{(n+1)(n+2)^{n+1}} < 10^{-4} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{(n+1)(n+2)^{n+1}} < \dfrac{1}{10^4}
Donc :
(n+1)(n+2)n+1>104(n+1)(n+2)^{n+1} > 10^4
On remarque alors que n=3n=3 conduit à (3+1)(3+2)3+1=4×54=4×625=2500<10000(3+1)(3+2)^{3+1} = 4 \times 5^4 = 4 \times 625 = 2500 < 10000 et que n=4n=4 conduit à (4+1)(4+2)3+1=5×65=4×7776=38880>10000(4+1)(4+2)^{3+1} = 5 \times 6^5 = 4 \times 7776 = 38880 > 10000. Donc nous allons retenir la valeur de n=4n=4.
En conséquence
∫01x−x dx≃∑k=14+1k−k\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq \sum_{k=1}^{{\color{red}{4+1}}} k^{-k}
Donc :
∫01x−x dx≃∑k=151kk\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq \sum_{k=1}^{5} \dfrac{1}{k^k}
Ce qui nous donne :
∫01x−x dx≃111+122+133+144+155\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq \dfrac{1}{1^1} + \dfrac{1}{2^2} + \dfrac{1}{3^3} + \dfrac{1}{4^4} + \dfrac{1}{5^5}
Soit :
∫01x−x dx≃11+14+127+1256+13125\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq \dfrac{1}{1} + \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{27} + \dfrac{1}{256} + \dfrac{1}{3125}
Soit encore :
∫01x−x dx≃2789128721600000\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq \dfrac{27891287}{21600000}
Finalement :
∫01x−x dx≃1,29126  u.a.\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq 1,29126 \,\, u.a.
Une méthode numérique très performante donne la valeur numérique suivante pour l'intégrale :
∫01x−x dx≃1,2912722062966187  u.a.\int_0^1 x^{-x} \, dx \simeq 1,2912722062966187 \,\, u.a.

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