D´eveloppement n15/74 Benjamin Groux
Formule d’Euler-Mac Laurin
Mon d´eveloppement
Proposition. Il existe une unique suite (Bn)nNde polynˆomes v´erifiant
(i) B0= 1,
(ii) nN,B
n=nBn1,
(iii) nN,R1
0Bn(x)dx = 0.
Ces polynˆomes sont appel´es polynˆomes de Bernoulli et les nombres bn=Bn(0) sont appel´es
nombres de Bernoulli. Ils v´erifient de plus
(iv) n6= 1, Bn(1) = Bn(0),
(v) nN,Bn(1 X) = (1)nBn(X),
(vi) nN,b2n+1 = 0.
On construit les polynˆomes de Bernoulli par r´ecurrence.
L’initialisation se fait en posant B0= 1.
Pour l’h´er´edit´e, on suppose que le polynˆome Bnest construit. En notant
Bn+1 :[0,1] R
x7→ (n+ 1) Rx
0Bn(t)dt R1
0Ru
0(n+ 1)Bn(t)dt du ,(1)
on a alors clairement B
n+1(x) = (n+ 1)Bn(x) pour tout x[0,1], et R1
0Bn+1(x)dx = 0. De
plus, Bn´etant polynomiale, Bn+1 l’est ´egalement.
On a ainsi construit par r´ecurrence une suite de polynˆomes (Bn)nNv´erifiant (i), (ii) et (iii).
Une r´ecurrence imm´ediate utilisant le th´eor`eme fondamental de l’analyse permet de montrer
que cette suite de polynˆomes est unique.
Pour le point (iv), on a bien ´evidemment B0(1) = 1 = B0(0) et, d’apr`es les points (ii) et
(iii), pour tout n2, on a
Bn(1) Bn(0) = Z1
0
B
n(x)dx =nZ1
0
Bn1(x)dx = 0 .
Ensuite, en posant Pn(X) = (1)nBn(1 X), il est clair que la suite de polynˆomes (Pn)nN
satisfait les points (i), (ii) et (iii), donc par unicit´e des polynˆomes de Bernoulli, on a Pn=Bn
pour tout nN, ce qui implique le point (v).
Enfin, d’apr`es les points (iv) et (v), pour tout n6= 1, on a bn=Bn(1) = (1)nbn, ce qui
implique le point (vi).
Pour tout nN, on note f
Bnla fonction 1-p´eriodique qui co¨ıncide avec Bnsur [0,1[.
Proposition (formule d’Euler-Mac Laurin). Soient m, n deux entiers tels que m < n,
soit rNet soit f∈ Cr([m, n],C). On a :
n
X
k=m
f(k) = Zn
m
f(t)dt +1
2(f(m) + f(n)) +
E(r/2)
X
p=1
b2p
(2p)! f(2p1)(n)f(2p1)(m)
+(1)r+1
r!Zn
mf
Br(t)f(r)(t)dt .
1
D´eveloppement n15/74 Benjamin Groux
On d´emontre la formule d’Euler-Mac Laurin par r´ecurrence ´egalement.
Initialisation. Soient m < n deux entiers et f∈ C1([m, n],C). Grˆace `a (1), on calcule
facilement B1(X) = X1
2. Pour tout kJm, n 1K, le th´eor`eme d’int´egration par parties
appliqu´e aux fonctions de classe C1fet f
B1(qu’on a prolong´ee par continuit´e en k+ 1) donne
Zk+1
k
f(t)dt =hf(t)f
B1(t)ik+1
kZk+1
kf
B1(t)f(t)dt
=1
2(f(k+ 1) + f(k)) Zk+1
kf
B1(t)f(t)dt
donc, en sommant sur k, on obtient
Zn
m
f(t)dt =1
2(f(m) + f(n)) +
n1
X
k=m+1
f(k)Zn
mf
B1(t)f(t)dt .
H´er´edit´e. On suppose que la formule est d´emontr´ee `a un rang r1. Soient m < n deux
entiers et f∈ Cr+1([m, n],C). Le th´eor`eme d’int´egration par parties appliqu´e aux fonctions
f(r)et ^
Br+1
r+1 , qui sont continues et de classe C1par morceaux, de d´eriv´ees respectives f(r+1)
et f
Br, donne
Zn
mf
Br(t)f(r)(t)dt =1
r+ 1
]
Br+1(t)f(r)(t)n
m
Zn
m
1
r+ 1
]
Br+1(t)f(r+1)(t)dt
=br+1
r+ 1(f(r)(n)f(r)(m)) Zn
m
1
r+ 1
]
Br+1(t)f(r+1)(t)dt .
En injectant cette relation dans l’hypoth`ese de r´ecurrence, en distinguant le cas o`u rest
pair du cas o`u rest impair et en utilisant le point (vi) ci-dessus, on obtient que la propri´et´e
souhait´ee est v´erifi´ee au rang r+ 1.
La formule d’Euler-Mac Laurin est donc d´emontr´ee par r´ecurrence.
Application 1. Il existe γ > 0 tel que pour tout rN, quand n+, on a
n
X
k=1
1
k= ln(n) + γ+1
2n
r
X
p=1
b2p
2p
1
n2p+O1
n2r+1 .
La fonction t7→ 1
test de classe Csur [1,+[ et pour tous pNet t[1,+[, on a
f(p)(t) = (1)pp!
tp+1 . D’apr`es la formule d’Euler-Mac Laurin appliqu´ee au rang 2r+ 1, pour tous
rNet nN, on a donc
n
X
k=1
1
k=Zn
1
dt
t+1
2+1
2n
r
X
p=1
b2p
2p1
n2p1Zn
1
^
B2r+1(t)
t2r+2 dt .
Comme ^
B2r+1 est born´ee sur R, la fonction t7→ ^
B2r+1(t)
t2r+2 est int´egrable sur [1,+[. En notant
γr=1
2+
r
X
p=1
b2p
2pZ+
1
^
B2r+1(t)
t2r+2 dt ,
2
D´eveloppement n15/74 Benjamin Groux
on a donc n
X
k=1
1
k= ln(n) + γr+1
2n
r
X
p=1
b2p
2p
1
n2p+Z+
n
^
B2r+1(t)
t2r+2 dt
avec Z+
n
^
B2r+1(t)
t2r+2 dt≤ k^
B2r+1k
1
(2r+ 1)n2r+1 .
On remarque enfin que pour tout r,γrest ´egale `a la limite quand n+de Pn
k=1
1
kln(n),
donc γrest ind´ependante de r. On obtient ainsi la formule annonc´ee.
Application 2.
(i) Quand n+, on a
b2n(1)n+12(2n)!
(2π)2n.
(ii) Pour tous nNet xR, on a g
B2n(x)≤ |b2n|et ^
B2n+1(x)n+1
2|b2n|.
Soient nNet pN. La formule d’Euler-Mac Laurin appliqu´ee `a la fonction x7→
e2nx, qui est de classe Csur [0,1], s’´ecrit au rang p:
2 = Z1
0
e2nx dx
|{z }
=0 si n6=0
+1 + 0 + (1)p+1
p!Z1
0f
Bp(x)(2n)pe2nx dx .
Le n-i`eme coefficient de Fourier de la fonction 1-p´eriodique f
Bpvaut donc p!
(2iπn)plorsque n
est non nul. Et il vaut R1
0f
Bp(x)dx = 0 si n= 0 d’apr`es le point (iii) ci-dessus.
D’une part, f
Bpest continue pour p6= 1, et d’autre part, pour tout kZ,f
B1est continue
sur l’intervalle ]k, k + 1[ et
1
2lim
xkf
B1(x) + lim
xk+f
B1(x)=1
21
21
2= 0 .
D’apr`es le th´eor`eme de Dirichlet, on a alors
k1,xR,g
B2k(x) = (1)k+12(2k)!
(2π)2k
+
X
n=1
cos(2πnx)
n2k
et
kN,xR,^
B2k+1(x) = (1)k+12(2k+ 1)!
(2π)2k+1
+
X
n=1
sin(2πnx)
n2k+1 .
En notant ζ:s7→ P+
n=1
1
ns, on a donc d’une part
b2k=(1)k+12(2k)!
(2π)2kζ(2k)(1)k+12(2k)!
(2π)2k
quand k+.
D’autre part, pour tous kNet xR, on a |g
B2k(x)| ≤ |b2k|. De plus, d’apr`es les points
(ii) et (vi) ci-dessus, on a, pour tous kNet xR,
B2k+1(x) = (2k+ 1) Zx
0
B2k(t)dt
3
D´eveloppement n15/74 Benjamin Groux
donc |^
B2k+1(x)| ≤ (2k+ 1)|x|.|b2k| ≤ k+1
2|b2k|d`es que x0,1
2. Cette relation est aussi
valable pour x1
2,1d’apr`es le point (v) ci-dessus, et donc pour tout xRpar p´eriodicit´e
de ^
B2k+1.
R´ef´erences
J’ai utilis´e [Dem06, pp. 77-81], [Gou08, p. 301]. On peut aussi consulter [Gou08, p. 299],
[FGN09, p. 310].
Le¸cons correspondantes
J’utilise ce d´eveloppement pour les le¸cons 223, 224, 238. On peut ´egalement l’utiliser pour
la le¸con 230.
Remarques
Le nombre γest appel´e constante d’Euler.
On peut d´efinir les nombres de Bernoulli par r´ecurrence (voir [IR90, p. 229]) en posant
b0= 1 et
nN,
n
X
k=0 n+ 1
kbk= 0 ,
puis ensuite d´efinir les polynˆomes de Bernoulli `a l’aide de la formule
Bn(x) =
n
X
k=0 n
kbkxnk.
On peut ´egalement efinir ces quantit´es `a l’aide de d´eveloppements en s´erie enti`ere,
voir [Gou08, p. 299].
Dans l’application 1, on utilise le fait que les fonctions f
Bnsont born´ees sur R. Des
bornes explicites sont obtenues dans l’application 2 (ii).
L’application 2 permet de montrer au passage que les ζ(2k) sont des multiples rationnels
de π2k, puisque les polynˆomes de Bernoulli sont `a coefficients rationnels (d´emonstration
par r´ecurrence).
Questions possibles
1. Calculer les premiers polynˆomes et nombres de Bernoulli.
2. Soit fune fonction de classe Crsur [m, n] dont les d´eriv´ees sont born´ees par M. Majorer
l’erreur lorsqu’on effectue la m´ethode des trap`ezes pour ´evaluer Rn
mf(x)dx.
3. `
A partir de la formule d’Euler-Mac Laurin, ´ecrire une formule de Stirling avec reste.
4. Montrer que la fonction ζadmet une limite en +´egale `a 1.
5. Dans l’application 2, quel est le mode de convergence de la s´erie de Fourier de f
Bp?
4
D´eveloppement n15/74 Benjamin Groux
R´ef´erences
[Dem06] Jean-Pierre Demailly :Analyse num´erique et ´equations diff´erentielles. EDP
Sciences, 2006.
[FGN09] Serge Francinou, Herv´e Gianella et Serge Nicolas :Exercices de
math´ematiques, Oraux X-ENS, Analyse 2. Cassini, 2009.
[Gou08] Xavier Gourdon :Analyse. Ellipses, 2008.
[IR90] Kenneth F. Ireland et Michael I. Rosen :A classical introduction to modern
number theory. Springer, 1990.
5
1 / 5 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !