This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.
1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
On va utiliser le critère de d’Alembert : à x fixé, le terme général de la série est un=(3n)!x3n. On obtient : unun+1=(3n+1)(3n+2)(3n+3)x3→0donc d’après le critère de d’Alembert, la série converge pour tout x réel.
Une série entière est indéfiniment dérivable sur son disque de convergence, et sa dérivée s’obtient en dérivant terme à terme. On obtient : f′(x)=n=1∑+∞(3n)!3nx3n−1=n=1∑+∞(3n−1)!x3n−1et de même, comme le rayon de convergence de la série dérivée est égal au rayon de convergence de la série initiale, on obtient : f′′(x)=n=1∑+∞(3n−2)!x3n−2
On s’aperçoit que f a ses coefficients non nuls pour les entiers de la forme 3n ; pour f′, ce sont les 3n−1, et pour f′′ ce sont les 3n−2. Ainsi, en additionnant ces trois séries entières, on couvre tous les termes ; et on obtient : f(x)+f′(x)+f′′(x)=n=0∑+∞n!xn=exp(x).
Il s’agit d’une équation différentielle linéaire d’ordre 2. On applique la méthode standard : ⋆ on commence par résoudre l’équation différentielle homogène associée, f+f′+f′′=0, en résolvant l’équation caractéristique 1+X+X2=0, qui admet deux racines complexes X=2−1±i3. Les solutions réelles de l’équation homogène sont donc les exp(−x/2)(Acos(23x)+Bsin(23x))⋆ on détermine une solution particulière de l’équation différentielle originale : ici, on pourrait partir sur la méthode de la variation de la constante, mais plus simplement, on s’aperçoit que exp(x)/3 fonctionne. ⋆ les solutions de l’équation différentielle sont donc les 3exp(x)+exp(−x/2)(Acos(23x)+Bsin(23x))
f est donc de cette forme, pour des coefficients A et B à déterminer. Avec f(0)=1, on obtient A=2/3 ; en dérivant, on obtient finalement que f′(0)=0=1/3−(1/2)A+B3/2, d’où B=0.
Finalement, on a obtenu : f(x)=3exp(x)+2exp(−x/2)cos(23x).