Correction Devoir Surveillé Maths N°3 Lycée

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CORRECTION DU DEVOIR SURVEILLÉ N: 3
MATHÉMATIQUES
Durée : 4 heures
Cette correction reprend en détail les solutions des exercices et du problème proposés dans le devoir
surveillé N: 1.
CONSIGNES DE RÉDACTION
Assurez-vous de comprendre chaque étape de la correction. Si une solution proposée semble
erronée ou peu claire, n’hésitez pas à la revoir attentivement.
Prenez soin de noter les méthodes et raisonnements utilisés, qui pourraient être réemployés dans
des situations similaires.
La correction aborde les trois exercices et le problème proposés
Exercice 1:
Q.1. (a) On a, pour tout xR,
f(x)x=1
2(xa)(xb).
On calcule, pour tout xR,
ff(x) = x2x4/8,
et on factorise ff(x)xpar f(x)x,
ff(x)x=2xx2/2x22x/4
=1
8x(2 x)(xa)(xb).
(b) Le tableau de variation de fest le suivant.
x
f(x)
−∞ 0+
−∞−∞
22
−∞−∞
a
a
b
b
2
0
On a donc
f([−∞;a[) =] − ∞;a[
et
ff([0; b[) = f(]b; 2]) = [0; b[.
Q.2. L’intervalle ]− ∞;a[est stable par fdonc dans le cas où u0< a tous les termes de la suite (un)n0
sont dans ];a[. De plus on a, pour tout x < a, f(x)x < 0donc la suite (un)n0est décroissante.
Si elle convergeait vers un réel , la continuité de fentrainerait que f() = donc que =aou =b.
Mais sa décroissance entrainerait aussi u0. On obtient une contradiction car on a u0< a < b.
On conclut que l’on a lim
n+=−∞.
Q.3. L’intervalle [0; b[est stable par ffdonc avec u0[0; b[on obtient que tous les termes de la suite
(u2n)n0sont dans [0; b[.
De plus on a, pour tout x[0; b[, f f(x)x < 0donc la suite (u2n)n0est décroissante.
Décroissante et minorée par 0elle converge. Sa limite vérifie ff() = car ffest continue et on
a aussi 0u0< b, donc on a = 0.
On conclut que lim
n+u2n= 0. La fonction fétant continue avec u2n+1 =f(u2n)on obtient que l’on a
lim
n→∞ u2n+1 =f(0) = 2
On conclut que la suite (un)n0diverge.
Q.4. (a) La fonction fétant continue on a f() = donc =aou =b. De plus fest dérivable avec
f() = donc on a |f()|>1.
Soit r]1; |f()|[. Avec
lim
x
f(x)
x
=f()
©LEM6-CASABLANCA 2 / 10 MPSI1/MPSI2
on déduit qu’il existe un voisinage Vde tel que, pour tout xV\{},
f(x)
xr
On a donc, pour tout xV,|f(x)|r× |x|.
(b) Puisque la suite (un)n0converge vers il existe pNtel que
unVpour tout np.
On a donc, pour tout np,
|un+1 |r× |un|.
Par récurrence on obtient, pour tout np,
|un||up| × rnp.
Avec lim
n+un=on a donc
lim
n+|up| × rn= 0.
(c) Avec r > 1on a lim
n+rn= +donc on obtient up=. Alors avec f() = on déduit que la suite
(un)n0est stationnaire.
Exercice 2:
Q.5. (a) Soit, pour tout nN, la proposition
(Pn) : 0 an1
n+ 1.
Initialisation
On a a1= 1/4donc ( P1) est vraie.
Hérédité
Soit nNtel que (Pn)soit vraie.
La fonction f:x7→ xx2est croissante sur 0; 1
2donc avec
0an1
n+ 1 1
2
on obtient
f(0) f(an)f1
n+ 1
c’est-à-dire
0an+1 n
(n+ 1)2
Avec n
(n+1)21
n+2 on obtient que (Pn+1)est vraie.
(b) On calcule, pour tout nN,
bn+1 bn=an(1 (n+ 1)an)0.
On conclut que la suite (bn)n1est croissante.
(c) Avec, pour tout nN, an1
n+1 , on obtient que la suite croissante (bn)n1est majorée donc
converge et que sa limite appartient à [0; 1].
©LEM6-CASABLANCA 3 / 10 MPSI1/MPSI2
Q.6. (a) Soit, pour tout nN, la proposition
(Pn) : an1
4n.
Initialisation
On a a1= 1/4donc (P1)est vraie.
Hérédité
Soit nNtel que ( Pn) soit vraie.
La fonction f:x7→ xx2est croissante sur 0; 1
2donc avec
1
4nan1
n+ 1 1
2
on obtient
f1
4nf(an)
c’est-à-dire 4n1
16n2an+1.
Avec 4n1
16n21
4n+4 on obtient que (Pn+1)est vraie.
(b) On a, pour tout nN,
S2nSn=
2n
X
k=n+1
ak
2n
X
k=n+1
1
4kn×1
4n=1
4.
(c) La suite (Sn)n1est croissante car les termes de la suite (ak)k0sont positifs.
Si elle convergeait on aurait lim
n+S2nSn= 0 ce qui n’est pas vrai d’après la minoration
précédente.
On conclut que l’on a lim
n+Sn= +.
Q.7. (a) On a, pour tout nN,
bn+1 bn=an(1 (n+ 1)an) = an(1 bnan)
D’une part on a an0et d’autre part, puisque la suite (bn)n1est croissante et de limite , on a
bn.
On obtient donc, pour tout nN,
bn+1 bnan(1 an).
(b) On a, pour tout n1,
an(1 an) = (1 )an+ (an+1 an)
donc avec ce qui précède on obtient, pour tout k1,
bk+1 bk(1 )ak+ (ak+1 ak).
On déduit que, pour tout n1, on a
bn+1 =b1+
n
X
k=1
(bk+1 bk)
b1+
n
X
k=1
((1 )ak+ (ak+1 ak))
=b1+ (1 )Sn+an+1 a1
= (1 )Sn+an+1
©LEM6-CASABLANCA 4 / 10 MPSI1/MPSI2
car b1=a1.
(c) On a, pour tout n1,
0(1 )Snbn+1 an+1
donc avec lim
n+bn+1 an+1 =on obtient que la suite ((1 )Sn)n1est bornée.
Alors puisqu’on a lim
n+Sn= +on conclut que = 1.
Q.8. (a) Soit kN. Avec le théorème des accroissements finis il existe c]k;k+ 1[ tel que
ln(k+ 1) ln k=1
c.
On a donc 1
k+ 1 ln(k+ 1) ln k1
k.
(b) On a donc, pour tout kN\{1},
ln(k+ 1) ln k1
kln kln(k1).
Pour tout nN\{1}, en sommant ces encadrements pour tout kJ2; nK, on en déduit que l’on a
ln(n+ 1) ln 2 Hn1ln n.
Avec
ln(n+ 1) ln 2 + 1
n+1 + ln n
n+ln n
on obtient
lim
n+
Hn
ln n= 1
c’est-à-dire Hn
n+ln n.
Q.9. (a) On a, pour tout kN,
ak1
k+ 1 1
k
donc on obtient, pour tout nN,
SnHn.
(b) On a, pour tous n, p Ntels que np,
SnSp=
n
X
k=p+1
ak=
n
X
k=p+1
bk
k
La suite (bk)k1étant croissante on obtient
SnSpbp
n
X
k=p+1
1
k=bp(HnHp).
(c) Fixons ε]0; 2 [. Puisque lim
n+bn= 1, il existe pNtel que bp1ε/2. Alors, pour tout
nNtel que np, on a
1Sn
Hn
un,
avec
un=Sp+ (1 ε/2) (HnHp)
Hn
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