Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and seriesUnreviewed

Suite de sinus itérés

by Sequoia·
57
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
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit uu une suite réelle de premier terme u0=π2u_{0}=\frac{\pi}{2} et telle que un+1=sin⁡(un)u_{n+1}=\sin(u_{n}) pour tout n∈Nn\in\N.

  1. Montrer que uu converge vers 00.
  2. Définir vn:=1un+12−1un2v_{n}:=\frac{1}{u_{n+1}^{2}}-\frac{1}{u_{n}^{2}} pour tout n⩾0n\geqslant0. Montrer que vv converge vers un réel l≠0l\neq0 que vous expliciterez.
  3. En déduire finalement, grâce au théorème de Cesaro (voir référence plus bas), que
    n3⋅un⟶n→+∞1.\sqrt{\frac{n}{3}}\cdot u_{n}\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}1.
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Solutions

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Solution by Uettechat

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Cette solution est une proposition de la résolution de cet exercice sans utiliser les questions analogues.

On traitera la résolution de cet exercice en employant une technique puissante que l’on peut généraliser à différentes suites récurrentes de la forme un+1=f(un)u_{n+1}=f(u_{n})
Pour cela, on utilise le lemme de Cesaro, qui stipule:
Si lim⁡n→+∞xn=ℓ,alors lim⁡n→+∞1n∑k=0n−1xk=ℓ\text{Si } \lim_{n \to +\infty} x_n = \ell, \quad \text{alors } \lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} x_k = \ellOn cherche alors une fonction ϕ\phi dérivable vérifiant ϕ(un+1)−ϕ(un)→n→+∞1\phi(u_{n+1})-\phi(u_{n}) \xrightarrow[n \to +\infty]{} 1, ainsi en appliquant le lemme de Cesaro à la suite (ϕ(un+1)−ϕ(un))n(\phi(u_{n+1})-\phi(u_{n}))_{n}, il vient par téléscopage:
1n∑k=0n−1ϕ(un+1)−ϕ(un)=ϕ(un)−ϕ(0)n∼ϕ(un)n∼1\frac{1}{n} \sum_{k=0}^{n-1} \phi(u_{n+1})-\phi(u_{n}) = \frac{\phi(u_{n})-\phi(0)}{n} \sim \frac{\phi(u_{n})}{n} \sim 1Donc ϕ(un)∼n\phi(u_{n}) \sim n, on peut donc en déduire un équivalent de unu_{n}.

Pour trouver ϕ\phi, on note d’abord g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x, tel que un+1−un=g(un)u_{n+1}-u_{n}=g(u_{n}), puis on suppose l’existence d’un tel ϕ\phi dérivable.
Par un DL à l’ordre 1, il vient:
ϕ(un+1)=ϕ(un)+(un+1−un)ϕ′(un)+on→+∞(un+1−un)=ϕ(un)+g(un))ϕ′(un)+on→+∞(g(un))\phi(u_{n+1})=\phi(u_{n})+(u_{n+1}-u_{n})\phi'(u_{n})+\underset{n \to +\infty}{\mathrm{o}}({u_{n+1}-u_{n})} =\phi(u_{n})+g(u_{n)})\phi'(u_{n})+\underset{n \to +\infty}{\mathrm{o}}(g(u_{n}))Donc ϕ(un+1)−ϕ(un)∼g(un))ϕ′(un)∼1\phi(u_{n+1})-\phi(u_{n}) \sim g(u_{n)})\phi'(u_{n}) \sim 1
On pose donc ϕ\phi une primitive d’un équivalent de 1/g1/g quand x→(lim⁡n→+∞un)x \to (\lim_{n \to +\infty} u_n).
Réciproquement, si ϕ\phi est une primitive d’un équivalent de 1/g1/g quand x→(lim⁡n→+∞un)x \to (\lim_{n \to +\infty} u_n), on vérifie aisément que ϕ\phi est dérivable et ϕ(un+1)−ϕ(un)→n→+∞1\phi(u_{n+1})-\phi(u_{n}) \xrightarrow[n \to +\infty]{} 1 par construction.

Application à l’exercice:
On posef(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x) et g(x)=f(x)−xg(x)=f(x)-x
On vérifie par récurrence immédiate que ∀n∈N,sin(un)∈]0,π2[\forall n \in \mathbb{N},sin(u_{n}) \in \left]0, \frac{\pi}{2}\right[
Donc un+1−un=g(un)=sin⁡(un)−un<0u_{n+1}-u_{n}=g(u_{n})=\sin(u_{n})-u_{n}<0, donc la suite (un)n(u_{n})_{n} est décroissante.
La suite (un)n(u_{n})_{n} étant décroissante et minorée par 00, elle converge.
On note ℓ\ell sa limite, il vient sin⁡(ℓ)=ℓ\sin(\ell)=\ell , donc ℓ=0\ell=0

On a un→0u_{n} \to 0, donc on pose ϕ\phi comme étant une primitive d’un équivalent de 1/g1/g quand x→0x \to 0
Comme 1/g∼x→0−6x31/g \underset{x \to 0}{\sim} -\frac{6}{x^{3}}, on pose ϕ(x)=3x2\phi(x)=\frac{3}{x^{2}}.
Il vient ϕ(un)∼n\phi(u_{n}) \sim n (d’après la démonstration ci-dessus), donc 3un2∼n\frac{3}{u_{n}^{2}} \sim n.

Donc un∼3nu_{n} \sim \sqrt{\frac{3}{n}}

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