ECE2-B 2016-2017
Suites implicites
Exercice 1. (☀☀)
On définit sur R+la fonction fpar : f(x) = x+ ln x.
a. Dresser le tableau de variations de f.
Démonstration.
La quantité ln xest définie pour x > 0.
Ainsi, Df= ]0,+[.
De plus, ln est dérivable sur ]0,+[.
Ainsi, fest dérivable sur cet ensemble. Pour tout x]0,+[:
f0(x) = 1 + 1
x>0
On obtient donc le tableau de variations suivant.
x
f0(x)
f
0+
+
−∞ ++
b. Montrer que l’équation f(x) = na une unique solution dans R+.
On la note un.
Démonstration.
La fonction fest :
×continue sur ]0,+[,
×strictement croissante sur ]0,+[.
Elle réalise donc une bijection de ]0,+[sur :
f(]0,+[) = ]lim
x0f(x),lim
x+f(x)[ = ] − ∞,+[
Soit nN. Comme n]− ∞,+[,nadmet un unique antécédent x
]0,+[par la fonction f. On note alors un(]0,+[) cet antécédent.
(on a donc f(un) = n)
c. Montrer que la suite (un)est croissante.
Démonstration.
Soit nN. Par définition, on a f(un) = net f(un+1) = n+ 1.
On en déduit que : n=f(un)< f(un+1) = n+ 1.
Or, d’après le théorème de la bijection, la fonction :
f1: ] − ∞,+[7→ ]0,+[
est strictement croissante.
En appliquant f1de part et d’autre de l’inégalité, on obtient :
f1(f(un)) = un< un+1 =f1(f(un+1))
La suite (un)est donc strictement croissante.
(): application directe du cours, (): pas de difficulté majeure, (☀☀): plus difficile, (☀☀☀): costaud 1
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Exercice 2. (☀☀)
Soit fla fonction définie sur R+par f(x) = xln(x)1si x > 0et f(0) = 1.
1. Montrer que fest continue sur R+.
Démonstration.
La fonction fest continue sur ]0,+[car elle est la somme de :
×x7→ xln(x)continue sur ]0,+[comme produit des fonctions :
(i) x7→ xpolynomiale donc continue sur ]0,+[,
(ii) x7→ ln(x)continue sur ]0,+[.
×x7→ −1constante donc continue sur ]0,+[.
D’autre part, lim
x0+f(x) = lim
x0+xln(x)1 = 0 1 = 1 = f(0).
On en déduit que fest continue en 0.
Ainsi, fest continue sur R+.
2. Calculer la limite de fen +.
Démonstration.
Comme lim
x+x= +et lim
x+ln(x)=+, on a
lim
x+f(x)=+.
3. Justifier que fest dérivable sur ]0,+[puis calculer f0(x).
Démonstration.
La fonction fest dérivable sur ]0,+[car elle est la somme de :
×x7→ xln(x)dérivable sur ]0,+[comme produit des fonctions :
(i) x7→ xpolynomiale donc dérivable sur ]0,+[,
(ii) x7→ ln(x)dérivable sur ]0,+[.
×x7→ −1constante donc dérivable sur ]0,+[.
Ainsi, fest dérivable sur ]0,+[.
(on pouvait montrer dès la question 1. que fest Csur ]0,+[)
Soit x]0,+[. On a alors : f0(x) = ln(x) + x×1
x= ln(x)+1.
x > 0, f0(x) = ln(x)+1
4. Établir le tableau de variations de fsur R+.
Démonstration.
Soit x > 0.Ona:
f0(x)>0ln(x)+1>0ln(x)>1x > e1
On en déduit le tableau de variations suivant.
x
Signe de f0(x)
Variations de f
0e1+
0+
11
1e1
1e1
++
Avec f(e1) = e1ln(e1)1 = e11
5. Soit nN.
Montrer que l’équation f(x) = npossède une unique solution dans R+.
On note uncette solution. Justifier que un>1.
Démonstration.
La fonction f:R+Rest :
×continue sur [e1,+[,
×strictement croissante sur [e1,+[.
Elle réalise donc une bijection de [e1,+[sur f([e1,+[) avec :
f([e1,+[) = [f(e1),lim
x+f(x)[ = [1e1,+[
(): application directe du cours, (): pas de difficulté majeure, (☀☀): plus difficile, (☀☀☀): costaud 2
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Comme n>0,n[1e1,+[.
Ainsi, l’équation f(x) = npossède une unique solution
dans [e1,+[.
Enfin, f(1) = 1 ×ln(1) 1 = 1donc f(un) = n > 1 = f(1).
On applique alors, de part et d’autre de cette inégalité, la fonction f1
strictement croissante.
On obtient ainsi : un>1.
6. On note gla restriction de fà l’intervalle [1,+[.
a) Justifier que gest une bijection de [1,+[dans un intervalle Jà
préciser.
Démonstration.
La fonction g: [1,+[Rest injective car restriction de fqui est
elle-même injective.
D’autre part, g: [1,+[Jest surjective si l’on choisit J=
Im(g) = g([1,+[). Or :
g([1,+[) = [f(1),lim
x+f(x)[ = [1,+[
gréalise une bijection de [1,+[sur [1,+[.
(ou par application du théorème de la bijection)
b) Donner le tableau de variation complet de la réciproque g1sur J.
Démonstration.
D’après le théorème de la bijection, la fonction g1est continue sur
[1,+[et de même monotonie que g.
Or [1,+[[e1,+[, et fest strictement croissante sur [e1,+[.
On en déduit donc le tableau de variations suivant.
x
Variations de g1
1+
11
++
c) Exprimez unà l’aide de g1.
En déduire la monotonie de la suite (un)et sa limite lorsque ntend
vers +.
Démonstration.
Soit nN.
Par définition, on a : f(un) = n.
De plus, comme un>1, on a f(un) = g(un).
On en déduit que g(un) = net donc que un=g1(n).
Comme g1est strictement croissante et n<n+ 1, on obtient :
un=g1(n)< g1(n+ 1) = un+1
La suite (un)est donc (strictement) croissante.
Pour ce dernier point, on pouvait raisonner de deux manières diffé-
rentes.
La manière adaptée à l’énoncé, à privilégier ici
D’après le théorème de composition des limites :
lim
n+un= lim
n+g1(n) = lim
x+g1(x) = +
(): application directe du cours, (): pas de difficulté majeure, (☀☀): plus difficile, (☀☀☀): costaud 3
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Ou alors à l’aide du théorème de convergence monotone (peu adapté
à l’énoncé mais raisonnement classique qu’il est important de com-
prendre)
Rappelons que, par définition de la suite (un), on a f(un) = n.
Comme un>1>0, cela s’écrit :
unln(un)1 = nou encore unln(un) = n+ 1
Deux cas se présentent alors.
1) Soit (un)est majorée
Étant croissante, elle est convergente vers une limite finie `R.
En passant à la limite dans l’égalité précédente, on obtient alors :
`ln(`)=+.
Ceci étant impossible, ce cas est à écarter.
2) Soit (un)n’est pas majorée
Étant croissante, elle tend vers +.
On en déduit que lim
n+un= +.
Exercice 3. (☀☀)
On considère les fonctions fn:x7→ xn+x1pour nN.
a. Soit nN. Démontrer que l’équation fn(x)=0admet une unique
solution xn]0,1[.
Démonstration.
Soit nN.
La fonction fnest une fonction polynomiale.
Elle est donc dérivable sur R.
Soit xR. On a : f0
n(x) = n xn1+ 1.
Si x > 0,n xn1+ 1 >0. On en déduit le tableau de variations suivant.
x
Signe de f0(x)
f
0 1
0+0
11
11
La fonction fnest :
×continue sur ]0,1[,
×strictement croissante sur ]0,1[.
Elle réalise donc une bijection de ]0,1[ sur f(]0,1[) = ] 1,1[.
Comme 0]1,1[, l’équation fn(x) = 0 admet une unique solution
xn]0,1[.
Remarque
On peut aussi rédiger comme suit.
Comme 0]1,1[,0admet un unique antécédent xn]0,1[ par la
fonction fn.
Quelle que soit la rédaction, il faut comprendre que l’on vient de
définir une suite (xn)nN.
(à chaque valeur de ncorrespond un unique xn)
Cette suite est définie de manière implicite (non explicite).
Pour tout nN,xnest l’unique élément tel que :
×xn]0,1[,
×fn(xn)=0i.e. xnn+xn+ 1 = 0 (déterminant pour la suite)
b. Démontrer que, pour tout n > 0:fn+1(xn)< fn+1(xn+1).
En déduire que : n > 0, xn< xn+1.
Démonstration.
D’après la question précédente : mN, fm(xm) = 0.
(pour bien comprendre qu’on peut écrire cette égalité en m=nmais aussi
en m=n+ 1)
Soit nN.
(): application directe du cours, (): pas de difficulté majeure, (☀☀): plus difficile, (☀☀☀): costaud 4
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Par définition de la fonction fn+1, on a : fn+1(xn) = xnn+1 +xn1.
Or, d’après la question précédente, on a : fn(xn) = 0.
Or fn(xn) = xnn+xn1=0. Ainsi, on a : xnn= 1 xn.
On en conclut que :
fn+1(xn) = xnn+1 +xn1
=xn×xnn+xn1
=xn×(1 xn) + xn1
=xn2+ 2xn1
=(xn22xn+ 1) = (xn1)2<0car xn<1
Par la question précédente, fn+1(xn+1) = 0.
On a donc bien : fn+1(xn)<0 = fn+1(xn+1).
D’après le théorème de la bijection, la fonction fn+11: ] 1,1[ ]0,1[
est de même monotonie que fn+1, à savoir strictement croissante.
On en déduit que :
xn=fn+1
1(fn+1(xn)) < fn+1
1(fn+1(xn+1)) = xn+1
c. Démontrer que (xn)converge et que sa limite `est telle que 0< ` 61.
Démonstration.
La suite (xn)est croissante et majorée par 1.
Elle converge donc vers une limite `R.
Par passage à la limite dans l’inégalité : 0< xn<1, on en déduit que
`est telle que : 06`61.
La suite (xn)étant croissante, on en déduit que : nN, xn>x1.
Et donc, par passage à la limite, on a : `>x1.
Par définition, x1est l’unique élément de ]0,1[ qui vérifie :
f1(x1) = x1+x11=0i.e. 2x1= 1 et donc x1=1
2.
On en conclut que : 0<1
26`61.
d. Démontrer que : n > 0, xn6`.
Démonstration.
Attention : démonstration hors programme !
Le théorème de convergence monotone stipule que `= sup
nN
xn.
Ainsi, on a : nN,xn6sup
nN
xn=`.
Démonstration attendue.
Supposons par l’absurde qu’il existe un rang n0>0tel que : xn0> `.
La suite (xn)étant croissante, on a : n>n0,xn>xn0.
Par passage à la limite, on en déduit que : `>xn0.
Et donc que : `>xn0> `, ce qui est impossible !
e. En procédant par l’absurde, montrer que `= 1.
Démonstration.
Supposons par l’absurde que `6= 1.
D’après les questions précédentes, on a :
0<`<1,
0< xn6`et donc, par croissance de la fonction élévation à la puissance
nsur ]0,+[, on en déduit que : 06xnn6`n. Or :
×`n
n+0car 0<`<1,
×0
n+0.
Ainsi, par le théorème d’encadrement, on a : xnn
n+0.
Or : xnn= 1 xn. Par passage à la limite dans cette égalité, on en déduit
que : 0 = 1 `et ainsi que `= 1.
Ceci contredit l’hypothèse `6= 1.
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