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Niveau Maths sup
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Intégrale de tan^n

Posté par
louisedcc
16-06-24 à 11:16

Bonjour,

J'ai l'exercice suivant:
Jn = l'intégrale de 0 à π/4 de tan^n

question 1: calculer J0, J1, J2

J'ai trouvé pi/4, ln(2)/2, puis 1-pi/4 sans trop de difficulté

question 2:
Montrer que Jn+2  +  Jn  = 1/(n+1)

J'ai réussi en faisant le calcul de l'intégrale

question 3:
Trouver l'équivalent en l'infini de Jn ?

Je bloque complètement ici.
J'ai commencé par montrer que Jn était décroissante, à valeurs positives et convergeait vers 0.

Mon idée était d'encadrer Jn+2/Jn et montrer qu'on tend vers 1 en l'infini pour utiliser la question 2 et récupérer l'équivalent.
Je n'y arrive malheureusement pas.

Merci d'avance pour votre aide

Posté par
thetapinch27
re : Intégrale de tan^n 16-06-24 à 13:02

Bonjour,

Il semble qu'on peut montrer que si la suite Kn=(n-1)Jn converge, alors elle converge vers 1/2 (ce qui permettra d'avoir un équivalent de Jn). Mais reste à montrer que la suite (n-1)Jn converge (je n'ai pas regardé si tel était le cas).
Pas dit que ce soit la façon la plus facile de faire.

Bon courage

Posté par
Ulmiere
re : Intégrale de tan^n 16-06-24 à 20:20

Juste une remarque avant d'en venir au sujet : il est possible d'exprimer la suite J sous forme de série

Citation :
Si on pose u_n = J_{2n} pour tout n, on a une nouvelle suite qui suit la relation de récurrence u_{n+1} = -u_n + \dfrac{1}{2n+1} avec une valeur initiale u_0 = J_0.

Même chose pour v_n = J_{2n+1} avec une valeur initiale v_0 = J_1 et un terme \varepsilon_n = \frac{1}{2(n+1)} au lieu de \delta_n = \frac{1}{2n+1} .

C'est facile de résoudre ces récurrences (sans calcul matriciel), il suffit de passer par la suite définie par \hat{u}_n = (-1)^nu_n.
On a alors \hat{u}_{n+1} = (-1)^{n+1}u_{n+1} = -(-1)^n(-u_n + \delta_n) = (-1)^nu_n + (-1)^{n+1}\delta_n = \hat{u}_n + (-1)^{n+1}\delta_n.

Puis \hat{u}_n - \hat{u}_0 = \sum_{k=0}^{n-1} \hat{u}_{k+1} - \hat{u}_k = \sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{(-1)^{k+1}}{2k+1}.

D'où enfin J_{2n} = (-1)^n\left[J_0 - \sum_{k=0}^{n-1} \dfrac{(-1)^{k}}{2k+1}\right] et J_{2n+1} = (-1)^n\left[J_1 - \dfrac12\sum_{k=1}^{n} \dfrac{(-1)^{k+1}}{k}\right].

Mais si tu connais le DL d'arctan et celui de ln(1+.), tu peux écrire aussi
J_{2n} = -(-1)^n\sum_{k=n+1}^\infty\dfrac{(-1)^{k}}{2k-1} et J_{2n+1} = \dfrac{(-1)^n}{2}\sum_{k=n+1}^\infty\dfrac{(-1)^{k+1}}{k}.
Deux suites extraites dont les indices recouvrent N convergent vers la même limite 0, donc J converge vers 0.


---------------------

On pourrait continuer avec le critère des séries alternées, mais tu as pu remarquer par toi même que J est une suite positive et décroissante (donc convergente).
Pour un n donné on a J_{n+2} + J_n = 1/(n+1).

Maintenant, pour encadrer J_n entre deux suites équivalentes utilise le fait suivant concernant deux réels positifs a et b : \min(a,b) \leqslant \dfrac{a+b}{2} \leqslant \max(a,b)

Posté par
candide2
re : Intégrale de tan^n 17-06-24 à 09:48

Bonjour,

Il me semble que ce qui est demandé est "un équivalent" en oo de Jn,  ce qui n'est pas la même chose que la limite de Jn pour n --> +oo

Pour moi, c'est 1/(2n)

Pour \ n \to \infty, on a J_n \simeq \frac{1}{2n}

Pas sûr que c'est cela qui est attendu.

Posté par
thetapinch27
re : Intégrale de tan^n 17-06-24 à 19:35

Bonsoir,

candide2, sauf erreur il me semble que l'encadrement donné par Ulmiere permet d'encadrer Jn (appliquer 2 fois l'inégalité) et donc de trouver cet équivalent.

Posté par
candide2
re : Intégrale de tan^n 17-06-24 à 20:19

A partir de ce que tu as écrit ;

"J'ai commencé par montrer que Jn était décroissante, à valeurs positives et convergeait vers 0. "

On peut en déduire immédiatement que la suite des Jn est convergente  (suite décroissante et minorée par 0) et  donc que pour n --> oo , on a J_n \simeq J_{n+2}

Et à partir de J_{n+2}  +  J_n  = 1/(n+1) , on a alors immédiatement que pour n --> oo, Jn \simeq 1/(2n)

Posté par
Ulmiere
re : Intégrale de tan^n 18-06-24 à 00:39

Ça par contre c'est totalement faux !

Si tu prends u_n = exp(-n) par exemple, u est positive décroissante mais u_n/u_{n+2} = e^2 ne tend pas vers 1 donc l'équivalence que tu annonces est fausse.

Même si elle était vraie la suite est quand même fausse, on ne somme pas les équivalents comme ça (surtout en 0!)

Posté par
candide2
re : Intégrale de tan^n 18-06-24 à 09:30

Si une suite Un converge, on a pour n --> +oo : U(n+2) - U(n) \simeq 0 , soit donc  U(n+2) \simeq U(n)
Puisque si suite converge, la différence entre termes consécutifs tend vers 0 pour n --> +oo

Mais on n'a pas le droit d'en déduire que U(n+2)/U(n) \simeq 1 ce que je n'ai d'ailleurs pas fait.





  

Posté par
Ulmiere
re : Intégrale de tan^n 18-06-24 à 12:02

Je pense que tu devrais réviser la définition de suites équivalentes

Le fait que u_{n+2} - u_n tende vers 0 n'implique pas u_n \sim u_{n+2}. Pour les suites qui ne s'annulent qu'en un nombre fini de points, cette dernière équivalence signifie que \dfrac{u_n}{u_{n+2}} (ou son inverse, c'est pareil) tend vers 1.

Si tu préfères, u_{n+2} \sim u_n \iff u_{n+2} = u_n + o(u_n). On sait que u_{n+2} - u_n = o(1), mais ce n'est pas forcément un o(u_n)

Posté par
candide2
re : Intégrale de tan^n 18-06-24 à 13:04

"Pour les suites qui ne s'annulent qu'en un nombre fini de points, ... "

Alors la suite n'est pas décroissante et partout positive, me semble-t-il.

On n'est pas dans ce cas dans l'exercice proposé.

Posté par
Ulmiere
re : Intégrale de tan^n 18-06-24 à 13:36

Pourquoi, 0 n'est pas un nombre fini ?



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