Correction devoir numéro 1 LM256 Correction de l`exercice 0.1

Correction devoir numéro 1
LM256
Exercice 0.1. 1. Démontrer que lim
x0
1 + x1x
x= 1.
2. Soient m, n des entiers positifs. Étudier lim
x0
1 + xm1xm
xn.
3. Démontrer que lim
x0
1
x(p1 + x+x21) = 1
2.
Indication pour l’exercice 0.1
Utiliser l’expression conjuguée.
Correction de l’exercice 0.1
Généralement pour calculer des limites faisant intervenir des sommes racines carrées, il est utile
de faire intervenir l’expression conjuguées :
ab=(ab)(a+b)
a+b=ab
a+b.
Les racines au numérateur ont disparu en utilisant l’identité (xy)(x+y) = x2y2.
Appliquons ceci sur un exemple :
f(x) = 1 + xm1xm
xn
=(1 + xm1xm)((1 + xm+1xm))
xn(1 + xm+1xm)
=1 + xm(1 xm)
xn(1 + xm+1xm)
=2xm
xn(1 + xm+1xm)
=2xmn
1 + xm+1xm
Et nous avons
lim
x0
2
1 + xm+1xm= 1.
Donc l’étude de la limite de fen 0est la même que celle de la fonction x7→ xmn.
Distinguons plusieurs pour la limite de fen 0.
1
Si m > n alors xmntend vers 0, donc f(x)tend vers 0.
Si m=nalors xmnet f(x)vers 1.
Si m < n alors xmn=1
xnm=1
xkavec k=nmun exposant positif. Si kest pair alors
les limites à droite et à gauche de 1
xksont +. Pour kimpair la limite à droite vaut +
et la limite à gauche vaut −∞. Conclusion pour k=nm > 0pair, la limite de fen 0
vaut +et pour k=nm > 0impair fn’a pas de limite en 0car les limites à droite et
à gauche ne sont pas égales.
Exercice 0.2. 1- Soit f:RRcontinue en 0telle que xRf(x) = f(2x). Montrer que f
est constante.
2- Les fonctions suivantes sont-elles prolongeables par continuité sur R?
af(x) = sin xsin( 1
x);
bf(x) = 1
xln ex+ex
2;
cf(x) = 1
1x2
1x2.
Indication pour l’exercice 0.2
1- Pour xfixé étudier la suite f(1
2nx).
2- Oui pour les deux premières en posant f(0) = 0, non pour la troisième.
Correction de l’exercice 0.2
Soit xR, comme f(y) = f(2y)en prenant y=x/2nous obtenons f(1
2x) = f(x). Puis en
prenant y=1
4x, nous obtenons f(1
4x) = f(1
2x) = f(x). Par une récurrence facile nous avons
nNf(1
2nx) = f(x).
Notons (un)la suite définie par un=1
2nxalors un0quand n+. Par la continuité de f
en 0nous savons alors que : f(un)f(0) quand n+. Mais f(un) = f(1
2nx) = f(x), donc
(f(un))nest une suite constante égale à f(x), et donc la limite de cette suite est f(x)! Donc
f(x) = f(0). Comme ce raisonnement est valable pour tout xRnous venons de montrer que
fest une fonction constante.
aLa fonction en définie sur R. Et elle est continue sur R. Il faut déterminer un éventuel
prolongement par continuité en x= 0, c’est-à-dire savoir si fa une limite en 0.
|f(x)|=|sin x||sin 1/x| ≤ |sin x|.
Donc fa une limite en 0qui vaut 0. Donc en posant f(0) = 0, nous obtenons une fonction
f:RRqui est continue.
bLa fonction fest définie et continue sur R. Étudions la situation en 0.fest la taux d’ac-
croissement en 0de la fonction g(x) = ln ex+ex
2. Donc si les objets suivants existent : la
limite de fen 0est égale à la valeur de g0en 0. Calculons g0sur R:
g0(x) = ln ex+ex
20=
exex
2
ex+ex
2
=exex
ex+ex.
2
Quand x0alors le numérateur tend vers 0et le dénominateur vers 2, donc g0(x)tend
vers 0. Donc gest dérivable en 0et g0(0) = 0. En posant f(0) = 0 nous obtenons une
fonction fdéfinie et continue sur R.
cfest définie et continue sur R\ {−1,1}.
f(x) = 1
1x2
1x2=1 + x2
(1 x)(1 + x)=1 + x
(1 x)(1 + x)=1
(1 + x).
Donc fa pour limite 1
2quand xtend vers 1. Et donc en posant f(1) = 1
2, nous
définissons une fonction continue sur R\{−1}. En 1la fonction fne peut être prolongée
continuement, car en 1,fn’admet de limite finie.
Exercice 0.3. Calculer la fonction dérivée d’ordre ndes fonctions f, g, h définies par :
f(x) = sin x;g(x) = sin2x;h(x) = sin3x+ cos3x.
Indication pour l’exercice 0.3
On ne cherchera pas à utiliser la formule de Leibniz mais à linéariser les expressions trigonomé-
triques.
Correction de l’exercice 0.3
1. Selon que n0[4],1[4],2[4],3[4] alors f(n)(x)vaut respectivement sin x,cos x,sin x,
cos x.
2. La dérivée de sin2xest 2 sin xcos x= sin 2x. Et donc les dérivées suivantes seront :
2 cos 2x, 4 cos 2x, 8 sin 2x, 16 cos 2x,... Et selon que n1[4],2[4],3[4],0[4],alors g(n)(x)
vaut respectivement 2n1sin 2x,2n1cos 2x,2n1sin 2x,2n1cos 2x.
3. sin(x)3+ cos(x)3=1
4sin(3x) + 3
4sin(x) + 1
4cos(3x) + 3
4cos(x)et on dérive...
Exercice 0.4. On considère la fonction f:RRdéfinie par
f(t) = (e1/t si t < 0
0 si t0
1. Démontrer que fest dérivable sur R, en particulier en t= 0.
2. Étudier l’existence de f00(0).
3. On veut montrer que pour t < 0, la dérivée n`eme de fs’écrit
f(n)(t) = Pn(t)
t2ne1/t
Pnest un polynôme.
(a) Trouver P1et P2.
3
(b) Trouver une relation de récurrence entre Pn+1, Pnet P0
npour nN.
4. Montrer que fest de classe C.
Correction de l’exercice 0.4
1. fest dérivable sur R
+en tant que composée de fonctions dérivables, et sur R
car elle est
nulle sur cet intervalle ; étudions donc la dérivabilité en 0.
On a
f(t)f(0)
t=(e1/t/t si t < 0
0 si t0
or e1/t/t tend vers 0 quand ttend vers 0 par valeurs négatives. Donc fest dérivable à
gauche et à droite en 0 et ces dérivées sont identiques, donc fest dérivable et f0(0) = 0.
2. On a
f0(t) = (e1/t/t2si t < 0
0 si t0
donc le taux d’accroissement de f0au voisinage de 0 est
f0(t)f0(0)
t=(e1/t/t3si t < 0
0 si t0
et il tend vers 0 quand ttend vers 0 par valeurs supérieures comme inférieures. Donc f
admet une dérivée seconde en 0, et f00(0) = 0.
3. (a) On a déjà trouvé que f0(t) = e1/t/t2, donc f0(t) = P1(t)/t2e1/t si on pose P1(t) = 1.
Par ailleurs, f00(t) = e1/t/t4+e1/t(2/t3) = 12t
t4e1/t donc la formule est vraie pour
n= 2 en posant P2(t) = 1 2t.
(b) Supposons que la formule est vraie au rang n. Alors f(n)(t) = Pn(t)
t2ne1/t d’où
f(n+1)(t) = P0
n(t)t2nPn(t)(2n)t2n1
t4ne1/t +Pn(t)
t2ne1/t(1/t2)
=P0
n(t)t2(2nt + 1)Pn(t)
t2(n+1) e1/t
donc la formule est vraie au rang n+ 1 avec
Pn+1(t) = P0
n(t)t2(2nt + 1)Pn(t).
4. Sur R
et sur R
+fest indéfiniment dérivable, donc il suffit d’étudier ce qui se passe en 0.
Montrons par récurrence que fest indéfiniment dérivable en 0, et que nN, f(n)= 0.
On sait que c’est vrai au rang 1. Supposons que fest n-fois dérivable, et que f(n)= 0.
Alors le taux d’accroissement de f(n)en 0 est :
f(n)(t)f(n)(0)
t=(Pn(t)e1/t/t2nsi t < 0
0 si t0
4
et sa limite est 0 quand ttend vers 0 par valeurs supérieures comme inférieures. Donc f(n)
est dérivable en 0, et f(n+1)(0) = 0. Donc l’hypothèse de récurrence est vérifiée au rang
n+ 1.
Par conséquent, fest de classe C.
Exercice 0.5. 1- Calculer les primitives suivantes :
Zsin x
sin x+ cos xdx et Zcos x
sin x+ cos xdx.
2- Calculer Z1
0
(x1)
(x2+x+ 1)3(x+ 2) dx.
Correction de l’exercice 0.5
1- Rsin x
sin x+cos xdx =1
2(xln |cos x+ sin x|) + csur R,
Rcos x
sin x+cos xdx =1
2(x+ ln |cos x+ sin x|) + csur R.
2-
Z1
0
(x1)
(x2+x+ 1)3(x+ 2) dx
=Z1
01
9(x+ 2) +x
(x2+x+ 1)3+x1
3(x2+x+ 1)2+x1
9(x2+x+ 1)dx
:= I1+I2+I3+I4.
Après cette décomposition, on calculera les termes I1, I2, I3, I4, on obtient
I1=1
9log 3
2,
I2=1
18 log 3 π
273,
I3=1
93π
27 ,
I4=5
18 3π
27 .
D’où il ressort que
Z1
0
(x1)
(x2+x+ 1)3(x+ 2) dx =1
18 log 4
35π
273+7
18.
Exercice 0.6. On définit sur R2la forme différentielle :
w1= (x2+y)dx + (xy +y2)dy
1- Est-ce que w1est une forme différentielle exacte ?
On définit sur D=(x, y)R2|x+y > 0la forme différentielle :
w2=ex1
x+yln(x+y)dx +ex
x+ydy.
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