Objectif supérieur (4) - Exercice 1

45 min
70
Question 1

Soit nn un entier naturel différent de zéro.
Calculer la limite suivante : lim⁡x⟶0∑i=1nsin⁡(ix)x\lim_{x \longrightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} \dfrac{\sin(ix)}{x}

Correction
On a :
lim⁡x⟶0∑i=1nsin⁡(ix)x=lim⁡x⟶0(sin⁡(x)x+sin⁡(2x)x+sin⁡(3x)x+⋯+sin⁡(nx)x)=lim⁡x⟶0sin⁡(x)x+lim⁡x⟶0sin⁡(2x)x+lim⁡x⟶0sin⁡(3x)x+⋯+lim⁡x⟶0sin⁡(nx)x\lim_{x \longrightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} \dfrac{\sin(ix)}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( \dfrac{\sin(x)}{x} + \dfrac{\sin(2x)}{x} + \dfrac{\sin(3x)}{x} + \cdots +\dfrac{\sin(nx)}{x} \right) = \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{\sin(x)}{x} + \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{\sin(2x)}{x} + \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{\sin(3x)}{x} + \cdots + \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{\sin(nx)}{x}
Or, on sait que sin⁡(X)∼0X\sin(X) \underset{0}{\sim} X, donc en posant X=ixX=ix (avec ii qui est un entier naturel qui va de 11 jusqu'à nn) on constate que si x⟶0x \longrightarrow 0 alors on a bien X=ix⟶0X=ix \longrightarrow 0. Ainsi, on a la relation sin⁡(ix)∼0ix\sin(ix) \underset{0}{\sim} ix, et de fait, on peut donc écrire que :
lim⁡x⟶0∑i=1nsin⁡(ix)x=lim⁡x⟶0xx+lim⁡x⟶02xx+lim⁡x⟶03xx+⋯+lim⁡x⟶0nxx\lim_{x \longrightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} \dfrac{\sin(ix)}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{x}{x} + \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{2x}{x} + \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{3x}{x} + \cdots + \lim_{x \longrightarrow 0}\dfrac{nx}{x}
Comme x⟶0x \longrightarrow 0 cela signifie que x≠0x \neq 0. Donc, en simplifiant, on trouve que :
lim⁡x⟶0∑i=1nsin⁡(ix)x=lim⁡x⟶01+lim⁡x⟶02+lim⁡x⟶03+⋯+lim⁡x⟶0n=1+2+3+⋯+n\lim_{x \longrightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} \dfrac{\sin(ix)}{x} = \lim_{x \longrightarrow 0} 1 + \lim_{x \longrightarrow 0}2+ \lim_{x \longrightarrow 0} 3 + \cdots + \lim_{x \longrightarrow 0} n = 1 + 2 + 3 + \cdots + n
Notons par SS la somme suivante :
S=1+2+3+⋯+nS = 1 + 2 + 3 + \cdots + n
Comme il s'agit d'une succession de nn additions, on peut l'effectuer dans l'ordre souhaité. On a alors :
∙  \bullet \,\, Ordre croissant : S=1+2+3+⋯+nS = 1 + 2 + 3 + \cdots + n
∙  \bullet \,\, Ordre décroissant : S=n+(n−1)+(n−2)+⋯+1S = n + (n-1) + (n-2) + \cdots + 1
En additionnant membre à membre, on trouve que :
2S=1+n+2+(n−1)+3+(n−2)+⋯+n+1=(1+n)+(1+n)+(1+n)+⋯+(1+n)=(1+n)×(1+1+1+⋯+1⏟n fois le nombre 1)=(1+n)×n2S = 1+n + 2 + (n-1) + 3 + (n-2) + \cdots + n + 1 = (1+n) + (1+n) + (1+n) + \cdots + (1+n) = (1+n) \times (\underbrace{1 + 1 + 1 + \cdots + 1}_{n \, \mathrm{fois \, le \, nombre} \, 1} ) = (1+n) \times n
Ainsi on obtient 2S=(1+n)×n2S = (1+n) \times n et donc S=n(1+n)2S = \dfrac{n(1+n)}{2}. Finalement, on en déduit que :
lim⁡x⟶0∑i=1nsin⁡(ix)x=n(1+n)2\lim_{x \longrightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} \dfrac{\sin(ix)}{x} = \dfrac{n(1+n)}{2}

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