Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Real analysis

Quelques équivalences plaisantes et délectables

by mathman·
35
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
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Montrez les équivalences suivantes :
a) ∑k=1+∞k!(2k)!x2k−1∼x→+∞π2ex24{\displaystyle \sum_{k=1}^{+\infty}\frac{k!}{(2k)!}x^{2k-1}\underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{\sqrt\pi}{2}e^{\frac{x²}{4}}} ;

b) ∫0xdta2cos⁡2(t)+b2sin⁡2(t)∼x→+∞x∣ab∣{\displaystyle \int_{0}^{x}\frac{\mathrm{d} t}{a²\cos²(t)+b²\sin²(t)}\underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{x}{|ab|}} pour ab≠0ab\neq 0 ;

c) ∑k=0+∞x2k∼x→1−−ln⁡(ln⁡(1/x))ln⁡(2){\displaystyle \sum_{k=0}^{+\infty}x^{2^{k}}\underset{x \to 1^{-}}{\sim}-\frac{\ln(\ln(1/x))}{\ln(2)}}.

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a) Posons S(x)=∑k≥1k!(2k)!x2k−1S(x)=\sum_{k\geq 1}\dfrac{k!}{(2k)!}x^{2k-1} pour x>0x>0, et ak=k!(2k)!a_k=\dfrac{k!}{(2k)!}.

On a
ak+1ak=k+1(2k+2)(2k+1)=12(2k+1),\frac{a_{k+1}}{a_k}=\frac{k+1}{(2k+2)(2k+1)}=\frac{1}{2(2k+1)},donc 2(2k+1)ak+1=ak2(2k+1)a_{k+1}=a_k. En multipliant par x2k+1x^{2k+1} et en sommant sur k≥1k\geq 1 :
2∑k≥1(2k+1)ak+1x2k+1=x2S(x).2\sum_{k\geq 1}(2k+1)a_{k+1}x^{2k+1}=x^2S(x).Comme ∑k≥1(2k+1)ak+1x2k=ddx(S(x)−a1x)=S′(x)−12\sum_{k\geq 1}(2k+1)a_{k+1}x^{2k}=\frac{d}{dx}\big(S(x)-a_1x\big)=S'(x)-\tfrac12, cela s’écrit
2x(S′(x)−12)=x2S(x),soitS′(x)=x2S(x)+12.2x\left(S'(x)-\tfrac12\right)=x^2S(x),\qquad\text{soit}\qquad S'(x)=\frac{x}{2}S(x)+\frac12.La substitution S(x)=ex2/4u(x)S(x)=e^{x^2/4}u(x) donne u′(x)=12e−x2/4u'(x)=\frac12 e^{-x^2/4}, et S(0)=0S(0)=0 fournit la forme close
S(x)=12ex2/4∫0xe−t2/4 dt.S(x)=\frac12 e^{x^2/4}\int_0^x e^{-t^2/4}\,dt.Quand x→+∞x\to+\infty, l’intégrale tend vers ∫0+∞e−t2/4dt=π\int_0^{+\infty}e^{-t^2/4}dt=\sqrt{\pi} (poser t=2vt=2v), d’où
S(x)∼+∞π2ex2/4.S(x)\underset{+\infty}{\sim}\frac{\sqrt{\pi}}{2}e^{x^2/4}.

b) Soit F(x)=∫0xdta2cos⁡2t+b2sin⁡2tF(x)=\displaystyle\int_0^x \frac{dt}{a^2\cos^2 t+b^2\sin^2 t} avec ab≠0ab\neq 0. L’intégrande gg est continue, strictement positive et π\pi-périodique ; posons I=∫0πgI=\int_0^{\pi}g. En écrivant x=nπ+ρx=n\pi+\rho avec n=⌊x/π⌋n=\lfloor x/\pi\rfloor et ρ∈[0,π[\rho\in[0,\pi[, la périodicité donne
F(x)=nI+∫0ρg(t) dt,F(x)=nI+\int_0^{\rho}g(t)\,dt,le reste appartenant à [0,I][0,I]. Comme n∼x/πn\sim x/\pi et I>0I>0, on obtient F(x)∼IπxF(x)\sim \frac{I}{\pi}x.

On pose u=tan⁡tu=\tan t sur ]−π/2,π/2[]-\pi/2,\pi/2[, avec dt=du1+u2dt=\frac{du}{1+u^2} :
I=∫−π/2π/2dta2cos⁡2t+b2sin⁡2t=∫−∞+∞dua2+b2u2=π∣ab∣.I=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{dt}{a^2\cos^2 t+b^2\sin^2 t}=\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{du}{a^2+b^2u^2}=\frac{\pi}{|ab|}.

Donc F(x)∼+∞x∣ab∣F(x)\underset{+\infty}{\sim}\dfrac{x}{|ab|}.

c) Soit x∈  ]0,1[x\in\;]0,1[ et S(x)=∑k≥0x2kS(x)=\sum_{k\geq 0}x^{2^k}. Posons y=ln⁡(1/x)>0y=\ln(1/x)>0, de sorte que
S(x)=∑k≥0e−2ky=:Σ(y),y→0+,S(x)=\sum_{k\geq 0}e^{-2^ky}=:\Sigma(y),\qquad y\to 0^+,et l’énoncé devient Σ(y)∼ln⁡(1/y)ln⁡2\Sigma(y)\sim \dfrac{\ln(1/y)}{\ln 2}.

Soit N=⌊log⁡2(1/y)⌋N=\big\lfloor\log_2(1/y)\big\rfloor, ainsi
∑k≥Ne−2ky≤∑j≥0e−2j≤∑j≥0e−(j+1)=1e−1,\sum_{k\geq N}e^{-2^ky}\leq\sum_{j\geq 0}e^{-2^j}\leq\sum_{j\geq 0}e^{-(j+1)}=\frac{1}{e-1},quantité bornée indépendamment de yy.

De pluus ∑k=0N−1e−2ky≤N\sum_{k=0}^{N-1}e^{-2^ky}\leq N et Σ(y)≤N+1e−1\Sigma(y)\leq N+\frac{1}{e-1}.

Fixons ε∈  ]0,1[\varepsilon\in\;]0,1[ et posons M=⌊(1−ε)N⌋M=\lfloor(1-\varepsilon)N\rfloor. Pour k≤Mk\leq M on a 2ky≤2−εN→02^ky\leq 2^{-\varepsilon N}\to 0, donc ces termes tendent uniformément vers 11 et
Σ(y)≥(M+1)e−2−εN≥(1−ε)N(1+o(1)).\Sigma(y)\geq (M+1)e^{-2^{-\varepsilon N}}\geq (1-\varepsilon)N\big(1+o(1)\big).En combinant les deux encadrements,
(1−ε)(1+o(1))≤Σ(y)N≤1+o(1),(1-\varepsilon)\big(1+o(1)\big)\leq\frac{\Sigma(y)}{N}\leq 1+o(1),et en faisant ε→0\varepsilon\to 0 il vient Σ(y)∼N\Sigma(y)\sim N.

Enfin N=⌊log⁡2(1/y)⌋∼log⁡2(1/y)N=\lfloor\log_2(1/y)\rfloor\sim\log_2(1/y), d’où
S(x)∼1−ln⁡(1/y)ln⁡2=−ln⁡(ln⁡(1/x))ln⁡2.S(x)\underset{1^-}{\sim}\frac{\ln(1/y)}{\ln 2}=-\frac{\ln\big(\ln(1/x)\big)}{\ln 2}.

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