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Niveau maths spé
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intégrale et série

Posté par
castor
14-12-16 à 09:06

Bonjour à tous.

On me demande de déterminer la limite de
u_n=\int_0^\infty \dfrac{\arctan(n\sqrt{x})}{1+x^3+...+x^{3n}}dx

Avec le théorème de convergence dominée, je trouve \lambda=\dfrac{3\pi}{8}

Puis on me demande la nature de la série de terme général u_n-\lambda et là je ne vois pas que faire.

Quelqu'un peut-il m'aider. Merci d'avance,

CASTOR

Posté par
carpediem
re : intégrale et série 14-12-16 à 09:35

salut

le théorème de convergence dominée assure l'existence ... mais comment trouves-tu sa valeur ?

il serait donc intéressant de déterminer un équivalent  de u_n - L ... ce qui peut suffire pour connaitre la nature de la série ....

et pour avoir un équivalent alors le calcul effectif de u_n (ou s limite) peut apporter la réponse ...

Posté par
castor
re : intégrale et série 14-12-16 à 09:40

J'ai trouvé la limite simple de la suite (f_n) et j'ai calculé l'intégrale de cette limite simple, à savoir f(x) =(1-x^3)\pi/2 sur ]0,1[ et 0 ailleurs.

Posté par
castor
re : intégrale et série 14-12-16 à 10:12

Pour l'équivalent d'accord, mais je ne vois pas comment partir. Le changement de variable u=n\sqrt{x} me semble plus compliquer les choses.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 14-12-16 à 10:59

Bonjour !
Je pense que tu devrais évaluer f_n(x)-f(x),\;f limite simple de f_n.

Pour x>1 on a  f_n(x)\leqslant\dfrac{\pi}{2x^{3n}}.
Pour x<1 utilises \arctan(n\sqrt x)=\dfrac{\pi}2-\arctan\frac1{n\sqrt x} et le fait que x^{3n+3} est négligeable devant 1/n.

Une mauvaise surprise serait que les termes en 1/n se neutralisent après intégration. Je n'ai pas essayé ! Mais dans un terme il y a \pi/2, pas dans l'autre, je suis optimiste.

Posté par
castor
re : intégrale et série 14-12-16 à 11:42

Donc pour vous, la série diverge à priori?

Avec l'intégration entre 0 et 1 je ne vois pas comment négliger x^{3n+3} ?

Posté par
castor
re : intégrale et série 14-12-16 à 15:15

Si quelqu'un pouvait m'aider, je n'arrive pas à trouver la nature de la série.
J'arrive à majorer |u-n-lambda| mais par le terme d'une série divergente....

Posté par
luzak
re : intégrale et série 14-12-16 à 18:21

C'est à peu près tout ce que j'ai aussi.
a plus, si je trouve quelque chose.

Posté par
boninmi
re : intégrale et série 14-12-16 à 18:35

Sauf erreur de ma part on peut minorer la différence considérée par une série divergente.
La série serait donc divergente.

Posté par
jsvdb
re : intégrale et série 15-12-16 à 00:23

Bonsoir.
Sans aucune rigueur (mais bon, à minuit, on se permet un peu de relâchement) je propose ceci sur les posts de Luzak 14-12-16 à 10:59 et Boninmi

u_n - \lambda= {\red  \left(\int_0^1 \left(\dfrac{\arctan(n\sqrt x)}{1+x^3+...+x^{3n}} - \dfrac{3\pi}{8}\right)dx\right)} + \left(\int_1^\infty \dfrac{\arctan(n\sqrt{x})}{1+x^3+...+x^{3n}}dx \right)

Pour l'intégrale en rouge :
\arctan(n\sqrt{x}) = \dfrac{\pi}{2} - \arctan(\dfrac{1}{n\sqrt{x}}) \sim \dfrac{\pi}{2}-\dfrac{1}{n\sqrt x} pour n grand

1/(1+x^3+...+x^{3n}) \sim 1-x^3 pour n grand

Donc l'intégrale en rouge fournit un terme d'une série divergente de forme -\frac{K}{n} avec K = \int_{0}^{1}{\frac{1-x^3}{\sqrt x}dx}=12/7

L'intégrale en noir fournit le terme suivant d'une série divergente également de forme \frac{K'}{1-3n} avec K' = \frac{\pi}{2} \sim \arctan(n\sqrt x) pour n grand.
Le \frac{1}{1-3n} étant obtenu par \int_{1}^{\infty}{\dfrac{dx}{x^{3n}}}, laquelle intégrale est obtenue en passant à l'équivalent dans \dfrac{1}{1+x^3+...+x^{3n}} = \dfrac{x^3-1}{(x^3)^{n+1}-1} \sim \dfrac{x^3}{(x^3)^{n+1}} (pour le relâchement, je ne vous ai pas pris en traître, avouez-le !)

Et en additionnant les équivalents (j'entends des toussotements) : u_n - \lambda \sim \dfrac{\pi+72/7}{2-3n} et ce truc-là, dans une salade de série, ça diverge.

Posté par
castor
re : intégrale et série 15-12-16 à 07:13

Merci à tous.

CASTOR

Posté par
luzak
re : intégrale et série 15-12-16 à 08:35

Des toussotements ?
Ben, pour les additions d'équivalents, c'est valable ici puisque les parties principales ne sont pas opposées.
En revanche les intégrations par rapport à x, d'équivalents en fonction de n, demandent un peu de justification !

Plus précisément, si f_n(x)\quad\underset{n \to +\infty}\simeq\quad\dfrac{K(x)}n cela revient à écrire f_n(x)=\dfrac{K(x)}n+\dfrac{\varphi(n,x)}n et \varphi(.,x) de limite nulle, disons n>n_0(x)\implies\varphi(n,x)<\varepsilon.
Pou pouvoir intégrer il faudrait un n_0(x) indépendant de x (convergence uniforme par exemple) ou une justification par domination, ce qui n'est pas si facile.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 15-12-16 à 08:55

Et aussi !
Pas vu du premier coup : dans l'intégrale rouge tu as remplacé un peu vite \dfrac1{1+x^3+\dots+x^{3n}-(1-x^3) par 0...

Posté par
luzak
re : intégrale et série 15-12-16 à 08:56

Erreur Latex disent-ils ! Tout çà pour une accolade, bof !
\dfrac1{1+x^3+\dots+x^{3n}}-(1-x^3)

Posté par
jsvdb
re : intégrale et série 17-12-16 à 15:51

@castor
Quand tu auras la correction, tu pourras nous la passer ?

Posté par
jandri Correcteur
re : intégrale et série 18-12-16 à 12:41

Bonjour,

Avec le théorème de convergence dominée on obtient u_n-\lambda\sim-\dfrac{12}{7n}.
Pour le démontrer on écrit:

u_n - \lambda= -\int_0^1(1-x^3)\arctan \dfrac1{n\sqrt x}dx+  \int_0^1 \dfrac{(1-x^3)x^{3n+3}\arctan(n\sqrt x)}{1-x^{3n+3}} dx + \int_1^\infty \dfrac{(x^3-1)\arctan(n\sqrt{x})}{x^{3n+3}-1}dx .

Dans les deux dernières intégrales on fait le changement de variable t=x^{3n+3} puis on majore par \dfrac1{3(n+1)^2} multiplié par une intégrale convergente indépendante de n.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 18-12-16 à 18:21

Bonjour jandri
Je ne comprends pas ton calcul.
On a f_n(x)=\dfrac{(1-x^3)\arctan(n\sqrt x)}{1-x^{3n+3}}=\dfrac{(1-x^3)}{1-x^{3n+3}}\Bigl(\dfrac{\pi}2-\arctan\dfrac1{n\sqrt x}\Bigr).

La limite simple est f définie par f(x)=\dfrac{\pi(1-x^3)}2 si x<1 et f(x)=0 sinon.

Ainsi
u_n-\lambda=\int_0^1(f_n-f)+\int_1^{+\infty}f_n=
 \\ 
 \\                           \dfrac{\pi}2\int_0^1\Bigl(\dfrac{1-x^3}{1-x^{3n+3}}-(1-x^3)\Bigr)\mathrm{d}x-\int_0^1\dfrac{1-x^3}{1-x^{3n+3}}\arctan\dfrac1{n\sqrt x}+\int_1^{+\infty}f_n

Dans les intégrales extrêmes le changement de variables t=x^{3n+3} (génial !) que tu proposes permet de majorer par \dfrac{K}{3(n+1)^2}

et l'intégrale restante qui est \int_0^1\dfrac{(1-x^3)}{1-x^{3n+3}}\arctan\dfrac1{n\sqrt x}\mathrm{d}x se majore par \int_0^1\dfrac{(1-x^3)}{1-x^{3n+3}}\dfrac1{n\sqrt x}\mathrm{d}x.
Le même changement de variables donnerait
\dfrac1{3n(n+1)}\int_0^1\dfrac{(1-t^{\frac1{n+1}})}{1-t}\dfrac{\sqrt x}{t}\mathrm{d}t

En majorant (1-t^{\frac1{n+1}}) par -\ln t  et en notant que \dfrac{\sqrt x}{t}=t^{\alpha_n},\;\alpha_n=-1+\dfrac1{6(n+1)}<-1+\dfrac16 on voit qu'on majore par le produit de \dfrac1{3n(n+1)} par une intégrale convergente indépendante de n

On a donc une somme de trois séries convergentes.

Attention : à vérifier soigneusement !

Posté par
jandri Correcteur
re : intégrale et série 18-12-16 à 19:16

Bonjour luzak,

Ta majoration de \alpha_n ne prouve rien, il faudrait minorer \alpha_n par un réel supérieur à -1.

Mais ce n'est pas possible puisque l'intégrale est équivalente à  \int_0^1\dfrac{1-x^3}{n\sqrt x}\mathrm{d}x=\dfrac{12}{7n}.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 18-12-16 à 23:24

Exact : je me suis trompé de sens dans l'inégalité pour \alpha_n.
Mais je ne vois pas comment tu  justifies l'intégration en x pour un équivalent obtenu pour n=+\infty ?

Je comprends la majoration par \dfrac{12}{7n} mais demande de l'aide pour l'équivalent.
Merci d'avance !

Posté par
luzak
re : intégrale et série 19-12-16 à 07:50

Bonjour !
Réponse inutile : j'ai compris qu'une limite sous convergence dominée donne le résultat.

Posté par
jsvdb
re : intégrale et série 19-12-16 à 15:55

Une belle rédaction pour clôturer, par Luzak et jsvdb

\blue \text{Pour }n\in\N \text{ on considère }u_n=\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\arctan(n\sqrt{x})}{\sum\limits_{0 \leq k \leq n}x^{3k}}\mathrm{d}x

\blue \text{1- Trouver la limite } \lambda \text { de cette suite.}

\blue \text{2- Nature de la série }\sum(u_n-\lambda )

\text{On note }\displaystyle P_n(x)=\sum_{0 \leq k \leq n}x^{3k}=\dfrac{x^{3n+3}-1}{x^3-1},~P_n(1) = n+1;~f_n(x)=\dfrac{\arctan n\sqrt{x}}{P_n(x)}.

\text {1- On a }  

x \geq 1\implies\lim_{n\to +\infty}f_n(x)=f(x)=0,\\0<x<1\implies\lim_{n\to +\infty}f_n(x)=f(x)=\dfrac{\pi}{2}(1-x^3)

\text{La limite simple }f \text{ est intégrable sur } \R_+.

f~et~f_n \text{ sont majorées par la fonction intégrable }g : g(x)= \begin{cases}
 \\     \dfrac{\pi}{2} & \text{si }x \leq 1} \\
 \\     \dfrac{\pi}{2x^3} & \text {si } x>1.
 \\ \end{cases}

\text {Par convergence dominée on a donc :}

\boxed{\blue  \lambda =\lim_{n\to +\infty}u_n=\int_{0}^{+\infty}f=\dfrac{\pi}{2}\int_{0}^{1}(1-x^3)\mathrm{d}x=\dfrac{3\pi}{8}}

\text {2- On a }  

u_n-\lambda =A_n+B_n-C_n \quad\text{avec } \\
 \\   A_n=\int_{1}^{+\infty}f_n\\
 \\   B_n=\dfrac{\pi}{2}\int_{0}^{1}\Bigl(\dfrac{1}{P_n(x)}-(1-x^3)\Bigr)\mathrm{d}x=\dfrac{\pi}{2}\int_{0}^{1}\dfrac{x^{3n+3}}{P_n(x)}\mathrm{d}x \\
 \\   C_n=\int_{0}^{1}\dfrac{1}{P_n(x)}\arctan\dfrac{1}{n\sqrt{x}}\mathrm{d}x

\red \underline{\text {a) Etude de }A_n}

\underline{\text{i- Utilisation du changement de variables }t=x^{-3(n+1)}}

\text {Puisque }\dfrac{\mathrm{d}t}{t}=-3(n+1)\dfrac{\mathrm{d}x}{x}$ et $x=t^{\frac{-1}{3(n+1)}} \text {il vient : }

\dfrac{2}{\pi}A_n \leq \int_{1}^{+\infty}\dfrac{x^3-1}{x^{3n+3}-1}\mathrm{d}x =   \dfrac{1}{3(n+1)}\int_{0}^{1}\dfrac{t^{\frac{-1}{n+1}}-1}{\frac{1}{t}-1}   t^{\frac{-1}{3(n+1)}-1}\mathrm{d}t \\
 \\ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~=\dfrac{1}{3(n+1)} \int_{0}^{1}\dfrac{1-t^{\frac1{n+1}}}{1-t}t^{\frac{-1}{n+1}-\frac1{3(n+1)}}\mathrm{d}t\\
 \\ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~=\dfrac{1}{3(n+1)}\int_{0}^{1}\dfrac{1-t^{\frac1{n+1}}}{1-t}\dfrac{\mathrm{d}t}{t^{\frac4{3(n+1)}}}

\text {En notant (convexité de l'exponentielle) que }\\ 1-t^{\frac1{n+1}}=1-e^{\frac{\ln t}{n+1}}<\dfrac{\ln t}{n+1} \text { et } \dfrac{4}{3(n+1)} \leq \dfrac{2}{3} \text{ on aura : }

\dfrac{2}{\pi}A_n \leq \dfrac{1}{3(n+1)^2}\int_{0}^{1}\dfrac{-\ln t}{1-t}t^{\frac{-2}{3}}\mathrm{d}t

\underline{\text {ii- Utilisation de l'inégalité arithmético-géométrique}}

\text {Les réels }x^{3k} \text{ étant positifs, par concavité du logarithme on a :}

\dfrac{1}{n+1}P_n(x) \geq \sqrt[n+1]{\prod_{0\leq k \leq}x^{3k}}=\sqrt[n+1]{x^{0+3+\dots+3n}} \geq \sqrt[n+1]{x^{3\frac{n(n+1)}2}}=x^{\frac{3n}2} \\
 \\ 
 \\ \dfrac{1}{P_n(x)} \leq \dfrac{1}{n+1}x^{\frac{-3n}2}

\text {Ainsi, }

\dfrac{2}{\pi}A_n \leq \dfrac{1}{n+1}\int_{1}^{+\infty}x^{\frac{-3n}2}\mathrm{d}x =\dfrac{1}{n+1}\;\dfrac{1}{3n-4}

\boxed{\blue  \text {Par l'une de ces méthodes on a donc, puisque }A_n \geq 0, \sum A_n \text{ convergente.}}

\red \underline{\text{b) Etude de }B_n}

\underline{\text{i- Utilisation du changement de variables }t=x^{3(n+1)}}

0\leq \dfrac{2}{\pi}B_n = \int_{0}^{1}\dfrac{t(1-t^{\frac1{n+1}})}{1-t}\,\dfrac{x\mathrm{d}t}{3t(n+1)} =\dfrac{1}{3(n+1)}\int_{0}^{1} \dfrac{t^{\frac1{3(n+1)}}(1-t^{\frac1{n+1}})}{1-t}\mathrm{d}t \\
 \\   \text{Avec la majoration classique }1-e^u \leq -u \text{ on a :}
 \\   \dfrac{2}{\pi}B_n \leq \dfrac{1}{3(n+1)^2}\int_{0}^{1}\dfrac{-\ln t}{1-t}\mathrm{d}t \quad \text{ (intégrale convergente)}

\underline{\text {ii- Utilisation de l'inégalité arithmético-géométrique}}

\dfrac{2}{\pi}B_n \leq \dfrac{1}{n+1}\int_{1}^{+\infty}x^{3n+3}x^{\frac{-3n}2}\mathrm{d}x=\dfrac{1}{n+1}\;\dfrac{2}{3n+8}

\boxed{\blue  \text {Par l'une de ces méthodes on a donc, puisque }A_n \geq 0, \sum B_n \text{ convergente.}}.

\red \underline{\text{b) Etude de }C_n}

\text{ Soit }g_n(x)=n\dfrac{1}{P_n(x)}\arctan\dfrac{1}{n\sqrt{x}}.

\text{Alors }\displaystyle\lim_{n\to +\infty}g_n(x)=\dfrac{1-x^3}{\sqrt{x}} \text{. La limite simple obtenue est intégrable sur }]0,1[ \text{ et majore }g_n.

\text {Par convergence dominée on a donc :}

\lim_{n\to +\infty}\int_{0}^{1}g_n=\int_{0}^{1}\dfrac{1-x^3}{\sqrt{x}}\mathrm{d}x=2-\dfrac{2}{7}=\dfrac{12}{7}

\boxed {\blue \text {Il en résulte }C_n\quad\underset{n\to +\infty}\simeq\quad\dfrac{12}{7n} \text{ et } \sum C_n \text{ divergente.}}

\boxed {\blue \text {CONCLUSION FINALE : La série } \sum(u_n-\lambda) \text{ est divergente.}}

Posté par
Alexique
re : intégrale et série 19-12-16 à 23:20

Bonsoir,

joliment détaillé jvsdb. Je crois reconnaître la patte d'un dinosaure qui nous aurait quitté il y a peu, n'est-il pas ?

Mais j'intervenais pour une question qu'a soulevé luzak et qui finalement n'était pas nécessaire pour résoudre le problème mais peut-on intégrer des équivalents ?

Plus précisement : si (f_n)_n et (g_n)_n sont deux suites de fonctions définies sur un intervalle réel I et équivalentes (au sens où pour chaque x \in I fixé, les suites (f_n(x))_n et (g_n(x))_n sont équivalentes et telles que pour chaque n \in \mathbb{N}, f_n est positive et intégrable sur I, alors peut-on conclure que g_n est intégrable sur I et que \displaystyle \int_I f_n \sim \int_I g_n ? J'arrive à fournir une preuve avec une condition de convergence uniforme des équivalents ie \displaystyle\lim_{n \to \infty} ||\frac{f_n}{g_n}-1||_{\infty}=0 (norme uniforme sur I)... Quelqu'un peut-il confirmer ? Si oui, la convergence uniforme sur tout compact suffirait-elle ?...Le souci qu'avait luzak venait du fait que comme d'habitude (x^n)_n ne converge pas uniformément vers 0 sur ]0,1[ mais c'est le cas sur tout compact inclus en revanche...

Posté par
jandri Correcteur
re : intégrale et série 19-12-16 à 23:24

C'est bien rédigé mais j'ai trouvé deux failles.

A l'avant-dernière ligne du a) i-, la majoration est fausse (faire tendre t vers 0).

Pour l'étude de C_n, la limite simple de g_n ne majore pas g_n (à cause du 1-x^{3n+3} au dénominateur).
Dans mon message du 18-12-16 à 12:41 j'ai proposé une décomposition différente qui facilite la majoration pour l'étude de C_n.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 20-12-16 à 08:34

Bonjour jandri
La première "faille" est l'oubli d'un signe, la ligne suivante est correcte...

Pour la deuxième c'est plus grave : il y a eu une reprise sans modification d'une rédaction définissant A_n,B_n,C_n.

Il faut donc remplacer dans les définitions :
u_n-\lambda =A_n+B_n-C_n \quad\text{avec } \\
 \\   A_n=\int_{1}^{+\infty}f_n\\
 \\   B_n=\int_{0}^{1}\Bigl(\dfrac{1}{P_n(x)}-(1-x^3)\Bigr)\arctan(n\sqrt x)\mathrm{d}x\leqslant\dfrac{\pi}{2}\int_{0}^{1}\dfrac{x^{3n+3}}{P_n(x)}\mathrm{d}x \\
 \\   C_n=\int_{0}^{1}(1-x^3)\arctan\dfrac{1}{n\sqrt{x}}\mathrm{d}x

Dans b)i l'égalité \dfrac{\pi}2B_n= à remplacer par \dfrac{\pi}2B_n\leqslant

Dans "Etude de C_n" :
g_n(x)=(1-x^3)\arctan\dfrac1{n\sqrt x}

Le reste sans changement.

Posté par
jsvdb
re : intégrale et série 20-12-16 à 08:59

Alexique @ 19-12-2016 à 23:20

Je crois reconnaître la patte d'un dinosaure qui nous aurait quitté il y a peu, n'est-il pas ?
.
Euuuuh ... je sais pô ...

intégrale et série

Posté par
luzak
re : intégrale et série 20-12-16 à 10:48

Alexique @ 19-12-2016 à 23:20

Bonsoir,
Plus précisement : si (f_n)_n et (g_n)_n sont deux suites de fonctions définies sur un intervalle réel I et équivalentes (au sens où pour chaque x \in I fixé, les suites (f_n(x))_n et (g_n(x))_n sont équivalentes et telles que pour chaque n \in \mathbb{N}, f_n est positive et intégrable sur I, alors peut-on conclure que g_n est intégrable sur I et que \displaystyle \int_I f_n \sim \int_I g_n ? J'arrive à fournir une preuve avec une condition de convergence uniforme des équivalents ie \displaystyle\lim_{n \to \infty} ||\frac{f_n}{g_n}-1||_{\infty}=0 (norme uniforme sur I)... Quelqu'un peut-il confirmer ? Si oui, la convergence uniforme sur tout compact suffirait-elle ?...Le souci qu'avait luzak venait du fait que comme d'habitude (x^n)_n ne converge pas uniformément vers 0 sur ]0,1[ mais c'est le cas sur tout compact inclus en revanche...

Si tu te mets dans une forteresse blindée : convergence uniforme, fonctions positives, fonction ne s'annulant pas ce qui permet d'utiliser la limite 1 du quotient, travail sur un compact, il se peut que ta démonstration (peut-on la voir ?) soit correcte et intéressante.
Utile ? quand les hypothèses sont trop nombreuses il y a des soucis (difficile de les avoir toutes, négligence dans leur vérification).

Le problème n'est pas simple : f_n-g_n\quad\underset{n \to+\infty }=\quad o(g_n) cache un gros piège. le "o" dépend de x.
En écrivant \forall(x,n)\in I\times\N,\;f_n(x)-g_n(x)=g_n(x)\alpha_n(x) \text{ et } \forall x\in I,\;\lim\limits_{n\to+\infty}\alpha_n(x)=0 on peut évidemment fournir des conditions pour que la suite \alpha_n converge dans des conditions où la convergence dominée s'applique.
Ainsi u_n=\int_I\alpha_n serait de limite nulle mais le rapport avec la limite de \dfrac{\int_I\alpha_ng_n}{\int_Ig_n} ne semble pas simple.
Un des avantages d'avoir des fonctions g_n qui ne s'annulent pas c'est qu'on a automatiquement accès à \alpha_n=\dfrac{f_n}{g_n}-1 . Mais le problème demeure : passer de la limite de \int_I\dfrac{f_n}{g_n} à celle du rapport des intégrales.

Posté par
luzak
re : intégrale et série 20-12-16 à 10:51

J'aurais dû ajouter : merci d'ouvrir un nouveau post si on veut parler du thème intégration d'équivalents.

Posté par
Alexique
re : intégrale et série 20-12-16 à 16:34

Citation :
Pour l'étude de C_n, la limite simple de g_n ne majore pas g_n


On peut y remédier en remarquant que \arctan(u) \leq u et P_n > 1 sur [0,1]. On obtient g_n \leq \dfrac{1}{\sqrt{x}} qui est intégrable sur [0,1].

Pour le reste, je change de topic.

Posté par
jandri Correcteur
re : intégrale et série 20-12-16 à 20:55

Je suis d'accord avec ce remède proposé par Alexique et avec les modifications proposées par luzak le 20-12-16 à 08:34.



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