Vers la Prépa (8) - Exercice 1

1 h 30 min
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Un problème relativement technique.
Question 1
On pose, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^* :
In=∫01xne1−x dxI_n = \int_{0}^{1} x^n e^{1-x} \, dx

Calculer l'intégrale I1I_1.

Correction
L'intégrale I1I_1 vaut :
I1=∫01xe1−x dxI_1 = \int_{0}^{1} x e^{1-x} \, dx
En intégrant par parties, on obtient :
I1=[x×−e1−x]01−∫011×−e1−x dx=[−xe1−x]01+∫1ee1−x dxI_1 = \left[ x \times -e^{1-x} \right]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} 1 \times - e^{1-x} \, dx = \left[- x e^{1-x} \right]_{0}^{1} + \int_{1}^{e} e^{1-x} \, dx
Soit encore :
I1=[−xe1−x]01+[−e1−x]01=[xe1−x]10+[e1−x]10=[(x+1)e1−x]10I_1 = \left[- x e^{1-x} \right]_{0}^{1} + \left[- e^{1-x} \right]_{0}^{1} = \left[ x e^{1-x} \right]_{1}^{0} + \left[e^{1-x} \right]_{1}^{0} = \left[ (x+1) e^{1-x} \right]_{1}^{0}
D'où :
I1=(0+1)e1−0−(1+1)e1−1=1e−2e0I_1 = (0+1) e^{1-0} - (1+1) e^{1-1} = 1e -2 e^0
Finalement, on obtient :
I1=e−2I_1 = e - 2
Question 2

Justifier, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, de l'existence de InI_n.

Correction
Les quantités xnx^n et e1−xe^{1-x} sont continues sur l'intervalle [0 ; 1]\left[ 0\,;\,1\right]. Ainsi leur produit est lui même continue sur ce même intervalle. Donc la fonction ff est elle même continue sur [0 ; 1]\left[ 0\,;\,1\right]. Ainsi, ceci nous assure de l'existence de InI_n.
Question 3

∀x∈[0 ; 1]\forall x \in [0\,;\,1], démontrer que : xn≤xne1−x≤exnx^n \leq x^n e^{1-x} \leq e x^n

Correction
∀x∈[0 ; 1]\forall x \in [0\,;\,1], On a :
0≤x≤1    ⟺    −1≤−x≤0    ⟺    0≤1−x≤10 \leq x \leq 1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, -1 \leq -x \leq 0 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 0 \leq 1-x \leq 1
Or, la fonction exponentielle est croissante sur [0 ; 1][0\,;\,1] , ce qui implique qu'elle conserve l'ordre. D'où :
e0≤e1−x≤e1    ⟺    1≤e1−x≤ee^0 \leq e^{1-x} \leq e^1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 1 \leq e^{1-x} \leq e
De plus, sur ∀x∈[0 ; 1]\forall x \in [0\,;\,1], le terme xnx^n (∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*) est positif. Donc on obtient : xn≤xne1−x≤exnx^n \leq x^n e^{1-x} \leq e x^n
Question 4

Calculer, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, l'intégrale : Jn=∫01xn dxJ_n = \int_{0}^{1} x^n \, dx

Correction
∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, on a l'intégrale suivante :
Jn=∫01xn dx=[xn+1n+1]01J_n = \int_{0}^{1} x^n \, dx = \left[ \dfrac{x^{n+1}}{n+1}\right]_{0}^{1}
Soit :
Jn=1n+1J_n = \dfrac{1}{n+1}
Question 5

En déduire, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, un encadrement de InI_n.

Correction
On sait que :
xn≤xne1−x≤exn    ⟹    ∫01xn dx≤∫01xne1−x dx≤∫01exn dxx^n \leq x^n e^{1-x} \leq e x^n \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\int_{0}^{1} x^n \, dx \leq \int_{0}^{1} x^n e^{1-x} \, dx \leq \int_{0}^{1} e x^n \, dx
Soit encore :
∫01xn dx≤∫01xne1−x dx≤e∫01xn dx    ⟺    Jn≤In≤eJn\int_{0}^{1} x^n \, dx \leq \int_{0}^{1} x^n e^{1-x} \, dx \leq e \int_{0}^{1} x^n \, dx \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, J_n \leq I_n \leq e J_n
Soit :
1n+1≤In≤en+1\dfrac{1}{n+1} \leq I_n \leq \dfrac{e}{n+1}
Question 6

Exprimer In+1I_{n+1} en fonction de InI_n.

Correction
En utilisant une intégration par parties, on a :
In+1=∫01xn+1e1−x dx=[xn+1×−e1−x]01−∫01(n+1)xn×−e1−x dxI_{n+1} = \int_{0}^{1} x^{n+1} e^{1-x} \, dx = \left[ x^{n+1} \times -e^{1-x} \right]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} (n+1) x^{n} \times - e^{1-x} \, dx
Soit encore :
In+1=[−xn+1e1−x]01+(n+1)∫01xne1−x dxI_{n+1} = \left[ - x^{n+1} e^{1-x} \right]_{0}^{1} + (n+1) \int_{0}^{1} x^{n} e^{1-x} \, dx
Ce qui nous donne :
In+1=−1+(n+1)InI_{n+1} = -1 + (n+1) I_n
Question 7

On pose, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, la quantité suivante : kn=n! e−Ink_n = n ! \, e - I_n. Exprimer kn+1k_{n+1} en fonction de knk_n. Puis calculer k1k_1.

Correction
On a :
kn+1=(n+1)! e−In+1=(n+1)! e−(−1+(n+1)In)k_{n+1} = (n+1) ! \, e - I_{n+1} = (n+1) ! \, e - ( -1 + (n+1) I_n )
Soit :
kn+1=(n+1)! e+1−(n+1)In=(n+1)n! e+1−(n+1)Ink_{n+1} = (n+1) ! \, e + 1 - (n+1) I_n = (n+1) n ! \, e + 1 - (n+1) I_n
D'où :
kn+1=(n+1)[n! e−In]+1k_{n+1} = (n+1) \left[ n ! \, e - I_n \right] + 1
Finalement, on trouve que :
kn+1=(n+1)kn+1k_{n+1} = (n+1) k_n + 1
On en déduit que k1k_1 vaut :
k1=1! e−I1    ⟺    k1=e−I1    ⟺    k1=e−(e−2)    ⟺    k1=e−e+2k_1 = 1 ! \, e - I_1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, k_1 = e - I_1 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, k_1 = e - (e-2) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, k_1 = e - e + 2
Finalement, on obtient :
k1=2k_1 = 2
Question 8

Démontrer, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, que kn∈Nk_n \in \mathbb{N}.

Correction
Pour démontrer que , ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, on a kn∈Nk_n \in \mathbb{N}, utilisons une démonstration par récurrence. Pour cela, posons, ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, la propriété suivante :
Pn  :  kn∈NP_n \,\, : \,\, k_n \in \mathbb{N}
On a les trois étapes suivantes :
  ∙  \,\, \bullet \,\, L'initialisation :
Si n=1n=1, on sait que k1=2∈Nk_1 = 2 \in \mathbb{N}. Donc P1P_1 est vraie.
  ∙  \,\, \bullet \,\,La transmission :
Supposons que PnP_n soit vraie, et démontrons que cela implique nécessairement que Pn+1P_{n+1} soit également vraie.
On sait que kn∈Nk_n \in \mathbb{N}, ainsi kn+1=(n+1)kn+1k_{n+1} = (n+1) k_n + 1 est lui même un entier naturel (car n+1n+1 est un entier naturel). Et donc Pn+1P_{n+1} est vraie.
  ∙  \,\, \bullet \,\,La conclusion :
En vertu des principes de la récurrence, on en déduit que ∀n∈N∗\forall n \in \mathbb{N}^*, on a kn∈Nk_n \in \mathbb{N}.
Question 9

Démontrer que, ∀n∈N/{0 ; 1}\forall n \in \mathbb{N} / \left\lbrace 0\,;\,1\right\rbrace , la grandeur n! e∉Nn! \, e \notin \mathbb{N}.

Correction
On sait que kn=n! e−Ink_n = n ! \, e - I_n donc In+kn=n! eI_n + k_n = n ! \, e. De plus, on sait que :
1n+1≤In≤en+1    ⟺    1n+1+kn≤In≤en+1+kn\dfrac{1}{n+1} \leq I_n \leq \dfrac{e}{n+1} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\dfrac{1}{n+1} + k_n \leq I_n \leq \dfrac{e}{n+1} + k_n
Donc :
1n+1+kn≤n! e≤en+1+kn\dfrac{1}{n+1} + k_n \leq n ! \, e \leq \dfrac{e}{n+1} + k_n
Or, on sait que :
kn<1n+1+kn    ⟹    kn<n! e≤en+1+knk_n < \dfrac{1}{n+1} + k_n \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, k_n < n ! \, e \leq \dfrac{e}{n+1} + k_n
Or, si n≥2n \geq 2 dans ce cas, on peut écrire que :
en+1<1    ⟹    en+1+kn<1+kn\dfrac{e}{n+1} < 1 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \dfrac{e}{n+1} + k_n < 1 + k_n
Ce qui implique que nous puissions écrire que :
kn<n! e<1+knk_n < n ! \, e < 1 + k_n
Ainsi, on obtient un encadrement strict de la quantité n! en ! \, e par deux entiers naturels consécutifs.
Ceci démontre bien que, ∀n∈N/{0 ; 1}\forall n \in \mathbb{N} / \left\lbrace 0\,;\,1\right\rbrace , la grandeur n! e∉Nn! \, e \notin \mathbb{N}.
Question 10

On rappelle que l'ensemble Q\mathbb{Q} est l'ensemble des nombres rationnels. Ceux sont les quotients d'un entier relatif par un entier naturel non nul. Soit (p ; q)∈N∗2(p\,;\,q) \in {\mathbb{N}^{*}}^2. Démontrer que ∀n≥q\forall n \geq q, la quantité n! pq∈N\dfrac{n! \, p}{q}\in \mathbb{N}. En déduire que e∉Qe \notin \mathbb{Q}.

Correction
Si ∀n≥q\forall n \geq q on a alors :
n! pq=n!×pq=1×2×...×(q−1)×q×(q+1)×...×n×pq\dfrac{n! \, p}{q} = n ! \times \dfrac{p}{q} = 1 \times 2 \times ... \times (q-1) \times q \times (q+1) \times ... \times n \times \dfrac{p}{q}
Ce qui nous donne :
n! pq=1×2×...×(q−1)×qq×(q+1)×...×n×p\dfrac{n! \, p}{q} = 1 \times 2 \times ... \times (q-1) \times \dfrac{q}{q} \times (q+1) \times ... \times n \times p
Soit :
n! pq=1×2×...×(q−1)×1×(q+1)×...×n×p\dfrac{n! \, p}{q} = 1 \times 2 \times ... \times (q-1) \times 1 \times (q+1) \times ... \times n \times p
Comme p∈Np \in \mathbb{N} alors on en déduit que
1×2×...×(q−1)×1×(q+1)×...×n×p∈N1 \times 2 \times ... \times (q-1) \times 1 \times (q+1) \times ... \times n \times p \in \mathbb{N}
Ce qui implique donc que la quantité n! pq∈N\dfrac{n! \, p}{q}\in \mathbb{N}.
Afin de démontrer que e∉Qe \notin \mathbb{Q}, raisonnons par l'absurde{\color{red}{absurde}}. Pour faire ceci, supposons le contraire de ce que nous souhaitons démontrer, à savoir, supposons que e∈Qe \in \mathbb{Q}.
Par définition de l'ensemble Q\mathbb{Q} cela signifie qu'il existe donc deux nombres entiers naturels pp et qq tels que :
e=pq     ⟹    n! e=n! pqe = \dfrac{p}{q} \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, n! \, e = \dfrac{n! \, p}{q}
où nn est un entier supérieur ou égal à 22. Or, d'après la question 9.9. on sait que la grandeur n! e∉Nn! \, e \notin \mathbb{N}. Mais d'après le début de la question 10.10. on sait que la quantité n! pq∈N\dfrac{n! \, p}{q}\in \mathbb{N}. On en déduit immédiatement que l'égalité obtenue n! e=n! pqn! \, e = \dfrac{n! \, p}{q} est \textbf{absurde}. Donc, l'hypothèse de départ e∈Qe \in \mathbb{Q} est impossible, ce qui implique immédiatement que e∉Qe \notin \mathbb{Q}. Le nombre d'\textit{Euler} n'est donc pas un nombre rationnel.

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