Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Un équivalent naturel des plus compliqués

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Solution by Sequoia · FR

\hookrightarrow L’intégrale est positive donc xn+1xnx_{n+1}\geqslant x_n et ainsi notre suite est croissante et admet donc une limite. Supposons qu’elle converge vers lRl\in\R, alors en passant à la limite dans l’équation on trouve l=l+l+ex2dxl=l+\int_l^{+\infty}e^{-x^2}\,\mathrm{d}x, ce qui est absurde car l’intégrale est strictement positive. Ainsi (xn)n(x_n)_n tend vers ++\infty.

\hookrightarrow On réécrit l’intégrale en changeant x2x^2 en tt, ce qui donne xn2+et2tdt\displaystyle\int_{x_n^2}^{+\infty}\frac{e^{-t}}{2\sqrt{t}}\,\mathrm{d}t. Pour trouver un équivalent de cette intégrale, on note que la dérivée de l’intégrande est 12et(1t12t3/2)\frac12 e^{-t}\left(-\frac{1}{\sqrt{t}}-\frac{1}{2t^{3/2}}\right) qui équivaut donc à l’opposé de ett\frac{e^{-t}}{\sqrt{t}}, soit notre intégrande. On peut alors appliquer le critère d’équivalents sous le signe intégral pour les intégrales convergentes et conclure que
xn+1xn=xn2+et2tdtn+xn2+(et2t)dt=exn22xnx_{n+1}-x_n=\displaystyle\int_{x_n^2}^{+\infty}\frac{e^{-t}}{2\sqrt{t}}\,\mathrm{d}t\underset{n\to+\infty}{\sim}\displaystyle\int_{x_n^2}^{+\infty}\left(-\frac{e^{-t}}{2\sqrt{t}}\right)'\,\mathrm{d}t=\frac{e^{-x_n^2}}{2x_n}\hookrightarrow On applique la méthode d'approximation par équation différentielle afin d’intuiter qu’il faut poser yn:=exn+12exn2y_n:=e^{x_{n+1}^2}-e^{x_n^2}. En détaillant le calcul de la limite de (yn)n(y_n)_n, on trouve:
yn=exn2(exp[(exn22xn+o(exn2xn))(xn+1+xn)]1)n+1y_n=e^{x_n^2}\left(\exp\left[\left(\frac{e^{-x_n^2}}{2x_n}+o\left(\frac{e^{-x_n^2}}{x_n}\right)\right)\cdot(x_{n+1}+x_n)\right]-1\right)\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}1\hookrightarrow Il ne reste plus qu’à appliquer le théorème de Cesaro pour en déduire que
exn2ex02n=1nk=0n1ykn+1\frac{e^{x_n^2}-e^{x_0^2}}{n}=\frac{1}{n}\sum_{k=0}^{n-1} y_k\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}1Et ainsi on peut négliger ex02e^{x_0^2} et trouver que exn2ne^{x_n^2}\sim n. Les équivalents passent au log car les deux côtés tendent vers l’infini et on conclut finalement que
xnn+ln(n)\boxed{x_n\underset{n\to+\infty}{\sim}\sqrt{\ln(n)}}

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