1
ANALYSE
Exercice 1.1.
On admet que la fonction Γ est de classe Csur R
+et que pour tout kN
et tout x > 0 :
Γ(k)(x) = Z+
0
(ln t)ktx1etdt
Soit Ψ la fonction d´efinie sur ]0,+[ par : Ψ(x) = d
dx¡ln Γ(x)¢
1. a) Montrer que, pour tout x > 0, Ψ(x+ 1) = Ψ(x) + 1
x.
b) Montrer que la fonction Ψ est croissante sur R
+
2. Soit fla fonction d´efinie sur ]0,+[ par f(x) = 22x1Γ(x)Γ(x+ 1/2)
Γ(2x).
Soit Fla fonction d´efinie sur ]0,+[ par F(x) = ln f(x), de d´eriv´ee F0.
a) Montrer que les fonctions f,Fet F0sont p´eriodiques, de p´eriode 1.
b) Etablir, pour tout r´eel x]0,1[ et pout tout nN, l’encadrement :
F0(n)2£Ψ(2n+ 2) Ψ(2n)¤6F0(x)6F0(n) + 2£Ψ(2n+ 2) Ψ(2n)¤
c) Montrer que la fonction fest constante. En d´eduire une relation entre
Γ(x),Γ(x+1
2) et Γ(2x).
Solution :
1. a) Comme Γ(x) = Z+
0
tx1etdt, une int´egration par parties (ou un
r´esultat bien connu) permet d’affirmer que pour tout x > 0, Γ(x+1) = xΓ(x).
6 ESCP-EAP 2008 - Oral
La fonction Γ ´etant `a valeurs strictement positives, il vient :
ln Γ(x+ 1) = ln x+ ln Γ(x)
Il ne reste qu’`a d´eriver cette expression pour obtenir :
Ψ(x+ 1) = Ψ(x) + 1
x
b) On admet que la fonction Γ est de classe C. Ainsi Ψ est d´erivable et
comme Ψ(x) = Γ0(x)
Γ(x),ona:
Ψ0(x) = Γ(x00(x)Γ02(x)
Γ2(x)
Par l’in´egalit´e de Cauchy-Schwarz :
Γ02(x) = µZ+
0
ln t(t(x1)/2)2(et/2)2dt2
6Z+
0
tx1etdt×Z+
0
(ln t)2tx1etdt = Γ(x)×Γ00(x)
ce qui montre que pour tout x > 0, Ψ0(x)>0.
2. a) Il vient, pour tout x > 0 :
f(x+ 1) = 22x+1Γ(x+ 1)Γ(x+3
2)
Γ(2x+ 2)
=22x1×4×(xΓ(x))×((x+1
2)Γ(x+1
2))
(2x+ 1)(2x)Γ(2x)
=22x1Γ(x)Γ(x+1
2)
Γ(2x)=f(x)
Donc F(x+ 1) = ln f(x+ 1) = ln f(x) = F(x), et enfin, comme Fest
d´erivable, sa d´eriv´ee F0est ´egalement 1-p´eriodique.
b) Par d´erivation et d´efinition de la fonction Ψ, on obtient :
F0(x) = 2 ln 2 + Ψ(x) + Ψ(x+1
2)2Ψ(2x)
La p´eriodicit´e de F0permet d’´ecrire que pour tout x > 0, pour tout nN,
F0(x+n) = F0(x).
La croissance de Ψ entraˆıne que pour tout x]0,1] :
Ψ(x+n)>Ψ(n), Ψ(x+n+1
2)>Ψ(n+1
2), et Ψ(2x+ 2n)6Ψ(2n+ 2).
Par suite :
F0(x+n) = F0(x)>2 ln 2 + Ψ(n) + Ψ(n+1
2)2Ψ(2n+ 2)
et :
Analyse 7
F0(x+n+ 1) = F0(x)62 ln 2 + Ψ(n+ 1) + Ψ(n+3
2)2Ψ(2n)
Donc :
F0(n)2(Ψ(2n+ 2) Ψ(2n)) 6F0(x)6F0(n+ 1) + 2(Ψ(2n+ 2) Ψ(2n))
On conclut avec F0(n) = F0(1) que :
F0(1) 2(Ψ(2n+ 2) Ψ(2n)) 6F0(x)6F0(1) + 2(Ψ(2n+ 2) Ψ(2n))
c) On sait, en appliquant deux fois le r´esultat 1. a) que :
2(Ψ(2n+ 2) Ψ(2n)) = 1
n+2
2n+ 1.
Donc, pour x]0,1] :
F0(1) 1
n2
2n+ 1 6F0(x)6F0(1) + 1
n+2
2n+ 1
En faisant tendre nvers +, il vient, pour x]0,1] : F0(x) = F0(1). Ainsi
F0est constante sur ]0,1], donc sur R
+car continue et de p´eriode 1.
Aussi F(x) est-elle affine, mais ´egalement p´eriodique de p´eriode 1, donc
constante.
Comme f(x) = exp(F(x)), fest ´egalement constante, ´egale `a f(1) sur R
+.
Or la connaissance de l’int´egrale de Gauss et le changement de variable t=u2
donnent :
f(1) = 2Γ¡3
2¢= Γ¡1
2¢=Z+
0
ett1/2dt = 2Z+
0
eu2du =π
D’o`u, pour tout x > 0 :
22x1Γ(x)Γ(x+1
2) = πΓ(2x)
Exercice 1.2.
Soit (un)nNla suite d´efinie par u1= 2 et la relation de r´ecurrence :
pour tout n>1 : un+1 =2un
q1 + p1(un
2n)2
1. Montrer que : nN, un= 2nsin ¡π
2n¢.
2. D´eterminer la limite de la suite (un).
3. Montrer que pour tout nN,on a : |πun|6π3
6×4n.
4.Soit pNfix´e. Montrer que lorsque ntend vers +,unadmet le
d´eveloppement suivant :
8 ESCP-EAP 2008 - Oral
un=ππ3
6×4n+··· + (1)pπ2p+1
(2p+ 1)!×4pn +o¡1
4pn ¢
5. On d´efinit une nouvelle suite (vn) par :
nN,vn=1
3(un+ 4un+1).
Montrer que la suite (vn) converge vers πet qu’au voisinage de +, on a :
(vnπ) = o(unπ).
6. Donner un ´equivalent de (vnπ) lorsque ntend vers +.
Solution :
1. Montrons par r´ecurrence sur nNla propri´et´e : Pn:un= 2nsin ¡π
2n¢.
• P1est vraie car u1= 2 = 2 sin π
2.
Supposons Pnvraie pour un certain entier nN. Montrons que Pn+1
est encore vraie. Par hypoth`ese de r´ecurrence, un
2n= sin ¡π
2n¢, donc :
un+1 =2un
q1 + p1(sin( π
2n))2
=2un
q1 + p(cos( π
2n))2
=2un
p1 + cos( π
2n)
=2×2nsin( π
2n)
p2 cos2(π
2n+1 )=
2n×2 sin( π
2n+1 ) cos( π
2n+1 )
cos( π
2n+1 )= 2n+1 sin( π
2n+1 )
Donc Pn+1 est v´erifi´ee et on conclut par le principe de r´ecurrence.
2. On a un=sin( π
2n)
π
2n
πet lim
n+un=π.
3. Soit f:x7→ sin x. On applique `a fl’in´egalit´e de Taylor-Lagrange `a l’ordre
2 sur le segment [0; π
2]. De |f(3)|61, on d´eduit :
¯
¯sin ¡π
2n¢π
2n¯
¯6π3
6×23n, donc |πun|6π3
6×4n.
4. Soit pNfix´e. D’apr`es le th´eor`eme de Taylor-Young appliqu´e `a fen 0 `a
l’ordre 2p+ 1, on a :
sin x=
p
P
k=0
(1)kx2k+1
(2k+ 1)! +o(x2p+1)
Sachant que lim
n+
π
2n= 0, en substituant π
2n`a x, on trouve :
sin ¡π
2n¢=
p
P
k=0
(1)k
(2k+ 1)!×π2k+1
2n22kn +o¡1
2n22pn ¢
Analyse 9
Donc :
un=
p
P
k=0
(1)k
(2k+ 1)!×π2k+1
22kn +o¡1
4pn ¢
5. vn=1
3(un+4un+1) et lim
n+vn=1
3(π+4π) = π. On applique ensuite
la formule de la question pr´ec´edente avec p= 1 :
un=ππ3
6×4n+o¡1
4n¢
un+1 =ππ3
6×4n+1 +o¡1
4n+1 ¢=ππ3
6×4n+1 +o¡1
4n¢
En effectuant une combinaison lin´eaire de ces deux ´egalit´es, on trouve :
vnπ=(unπ) + 4(un+1 π)
3=o¡1
4n¢
Or unπ∼ − π3
6×4n, donc (vnπ) = o(unπ).
6. Pour obtenir un ´equivalent de (vnπ), on applique la formule de la question
(4) avec p= 2 :
un=ππ3
6×4n+π5
5!×42n+o¡1
42n¢
On en d´eduit par combinaison lin´eaire :
vnπ∼ − π5
5!×42n+2
Exercice 1.3.
1. Soit AR
+, montrer qu’il existe MR
+tel que :
u[A, A],06eu1u6Mu2
2. Pour xr´eel, on pose : ϕ(x) = Z1
0
ex(1+t2)
1 + t2dt.
a) Soit xfix´e et hnon nul ; montrer, `a l’aide du r´esultat de la question 1,
que :
lim
h0³ϕ(x+h)ϕ(x)
h+Z1
0
ex(1+t2)dt´= 0
b) En d´eduire que ϕest d´erivable sur R, avec :
xR, ϕ0(x) = Z1
0
ex(1+t2)dt
3. a) Calculer ϕ(0).
b) Montrer que lim
x+ϕ(x) = 0.
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