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Niveau Maths sup
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étude sur les dérivées n-ième de arctan

Posté par
Andromaque
14-02-14 à 21:38

Bonjour, j'ai un Dm en maths, cependant, j'avoue bloquer sur certaines questions!

Soit f: définie par f(x)=arctan(x)

1. calculer f' et f''
2. Montrer que pour tout n1, il existe un polynome Pn tel que x, f(n)(x)= Pn(x)/(1+x²)n
3. caluler P1, P2,P3
4. déterminer le degré et le coefficient dominant de Pn en fonction de n
5.(a)Déterminer le DL2q+1(0) de arctan
(b) déterminer pour n1 la valeur de Pn(0) en fonction de n (attention plusieurs cas)

Il y a d'autres questions mais je préfère déjà réussir la question 5(b), les autres ayant déjà été traitée!

Pour la 5(b) j'ai dit que f(n)(0)= Pn(0), j'ai essayé avec la formule de taylor et de mon DL pour retrouver les dérivées successives mais je n'arrive pas à un résultat très concluant, j'obtiens 0!! pourtant j'ai essayé de différencier le cas avec n pair et impair puisque pour n pair, la dérivée est nulle!

Voili voilou, si quelqu'un veut bien se pencher avec moi sur ce fameux Dm!

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 14-02-14 à 23:32

Le DL de arctan en 0 a l'ordre 2n+1 donne : arctan(x)=x-x^3/3+x^5/5+........+(-1)^n/(2n+1)* x^(2n+1)+o(x^(2n+1))

Donc P2n+1(0)= (-1)^n/(2n+1)
     P2n(0)=0

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 14-02-14 à 23:34

errratum : P2n+1(0)= (-1)^n * (2n)!

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 10:39

Je ne comprends pas pourquoi on met (2n)! et non (n-1)! ?

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 10:42

si c'est bon j'ai compris, j'avais mal identifier ^^'

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 17:33

Je bloque de nouveau ^^"
6.(a) décomposer la fraction rationnelle f'(x)=1/(1+x²) en éléments simples de
(b) en déduire qu pour tout n1, Pn est de la forme: Pn=bn((X-i)-(X+i)n) où bn est un complexe (dépendant de n) à déterminer
(c) pour n2, en déduire les racines du polynôme Pn: l'expression de ces racines fera clairement apparaître qu'elles sont toutes réelles
(d) en déduire la factorisation de Pn dans [X]

j'ai trouvé la (a) fort heureusement avec (1/2i)((X-i)-(X+i))
(b) mais là je bloque totalement, je n'arrive pas à identifier même au premier rang, j'aurais plutôt mis du -n-1 en puissance

du coup je ne peux pas vraiment faire la suite!

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 18:05

Tu appelles g= f'

Normalement tu trouves g(k)=((-1)^k*k!)/(2i) (1/(X-i)^(k+1)-1/(X+i)^(k+1))

f(n)=g(n-1)

f(n)(x)=((-1)(n-1)(n-1)!)/(2i) (1/(X-i)n  -  1/(X+i)n)  = [((-1)(n-1)(n-1)!)/(2i) * ((X+i)n - (X-i)n)] / (1+X2)n  

En identifiant, tu as Pn

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 18:47

Je ne comprends pas comment on trouve le coefficient avec (-1)^k*k! ..

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 18:50

Derives successivement les 1/(x-i) par exemple. Tu verras ensuite que tu peux conjecturer une formule (qui se demontre aisement par recurrence)

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 20:19

Okay, en dérivant je retombe bien sur le même résultat!
Pour les racines j'ai posé P(z)=0 avec z= \frac{cos(k*pi/n)}{sin(k*pi/n)}
pour factoriser j'utilise d'alembert gauss en mettant le coefficient dominant  en facteur soit bn mais je dois être dans et non dans à cause du 2i :/

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 21:10

Effectivement, les racines sont bien ce que tu as ecrit avec k allant de 0 a n-1. N'oublies pas qu'elles s'ecrivent aussi  z(k)= cotan(k*pi/n)  !

Il n'y a plus de 2i en realite: Le coeff dominant de (X+i)^n-(X-i)^n est 2i (utilise le binome de newton pr les 2 sommes, le polynome est de degre n-1)

Donc Pn a pour coeff dominant (-1)^(n-1) (n-1)!

Duc coup Pn= (-1)^(n-1) (n-1)! * (k=0..n-1) (X-cotan(k*pi/n))

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 21:17

Rectificatif : k ne peut etre nul. k va de 1 a n-1

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 22:18

c'est ce qu'il me semblait mais j'avais trouvé (-1)n+1 n! comme coefficient dominant en répondant à la question 4 du coup je trouve ça bizarre que ce n soit pas le même

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 22:38

J'ai fait une erreur le coeff dominant de (X+i)^n-(X-i)^n est 2i*n !!
Donc ca s'arrange bien puisque (-1)^(n-1)=(-1)^(n+1) et (n-1)!*n = n!

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 22:39

Et donc  Pn= (-1)^(n+1)* n! *  (k=1..n-1) (X-cotan(k*pi/n)) pour conclure

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 22:46

ça semble, en effet plus simple merci!

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 15-02-14 à 23:33

Je ais encore vous/te déranger mais je ne trouve pas la parité de ce polynome P en regardant pour les n impairs et pairs ^^"
ce DM me désespère ...

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 16-02-14 à 00:16

On te demande de demontrer que Pn est pair ou impair selon les n c'est ca? Quelle est la question exacte?

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 16-02-14 à 11:34

déterminer la parité de Pn en fonction de n
en déduire que pour tout p appartenant à il existe un polynome Q [X] de degré p tel que :
P2p+1 (X) = Qp(X²)
J'ai remplacé par 2p+1 en ayant mis -X sauf d j'ai que je n'arrive pas à enlever ou à faire quelque chose quand j'ai (k=1...n-1) (-X-cotan(...))

Posté par
elanoo
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 16-02-14 à 13:29

Dans le cas n=2p+1, Pn doit etre pair vu la question d'apres. En remplacant par -X tu obtiens en sortant les signes - (k=1..2p) (X+cotan(k*pi/(2p+1))

A partir de la , je pense qu'il faut exploiter le fait que cotan((2p+1-k)*pi/(2p+1))= cotan(pi-k*pi/(2p+1))= - cotan (k*pi/(2p+1))
Je pense donc qu'un changement de variable i= 2p+1-k devrait arranger les choses

Posté par
Andromaque
re : étude sur les dérivées n-ième de arctan 16-02-14 à 13:54

J'ai trouvé que pour n=impair on avait Pn(X)=Pn(-X) en posant n=2p+1

J'ai essayé de factoriser P2p+1 et j'ai trouvé que c'était égale à Qp(X²)=(2p+1)!(k=1...p) X²-cotan²(k*pi/(2p+1))


je dois ensuite calculer les coefficient de Xp et Xp-1 dans Qp en utilisant la 6(b), ça je pense l'avoir réussi, j'ai remplacé dans bn

je dois maintenant factoriser Q en trouvant ses racines et en déduire que (k=1...p)cotan²(k*pi/(2p+1))= p*(2p+1)/3



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