Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Un quotient harmonique

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Supposons dans un premier temps que λ⩾1.\lambda\geqslant 1. On va reprendre la preuve des résultats d’intégration des relations de comparaison. Soit ε>0\varepsilon>0 et α∈R\alpha\in\mathbb{R} tel que ∀λx⩾α,−ε3x⩽f′(x)f(x)−3x⩽ε3x.\forall \lambda x \geqslant \alpha, -\varepsilon\dfrac{3}{x}\leqslant\dfrac{f'(x)}{f(x)}-\dfrac{3}{x}\leqslant \varepsilon\dfrac{3}{x}. Par croissance de l’intégrale (car λx⩾x\lambda x\geqslant x par hypothèse) sur [x,λx][x,\lambda x] on a
−ε∫xλx3tdt⩽∫xλxf′(t)f(t)dt−∫xλx3tdt⩽ε∫xλx3tdt-\varepsilon \int_x^{\lambda x}\dfrac{3}{t}\mathrm{d} t\leqslant \int_x^{\lambda x}\dfrac{f'(t)}{f(t)}\mathrm{d}t-\int_x^{\lambda x}\dfrac{3}{t}\mathrm{d}t\leqslant \varepsilon\int_x^{\lambda x}\dfrac{3}{t}\mathrm{d}t donc
−3ε(ln⁡(λx)−ln⁡(x))⩽ln⁡∣f(λx)∣−ln⁡∣f(x)∣−3(ln⁡(λx)−ln⁡(x))⩽3ε(ln⁡(λx)−ln⁡(x)).-3\varepsilon(\ln(\lambda x)-\ln(x))\leqslant\ln| f(\lambda x)|-\ln|f(x)|-3(\ln(\lambda x)-\ln(x))\leqslant 3\varepsilon(\ln(\lambda x)-\ln(x)). En simplifiant, grâce à la formule ln⁡(ab)=ln⁡(a)−ln⁡(b)\ln\left(\dfrac{a}{b}\right)=\ln(a)-\ln(b) pour a,b>0a,b>0 et en passant à l’exponentielle qui est croissante :
e−3εln⁡(λ)⩽f(λx)f(x)λ−3⩽e3εln⁡(λ).e^{-3\varepsilon \ln(\lambda)}\leqslant \dfrac{f(\lambda x)}{f(x)}\lambda^{-3}\leqslant e^{3\varepsilon\ln(\lambda)}.. En prenant ε→0\varepsilon\to 0 on obtient, par le théorème des gendarmes, que lim⁡x→+∞f′(λx)f(x)=λ3.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f'(\lambda x)}{f(x)}=\lambda^3. Pour λ<1,\lambda<1, on pose μ=1λ>1\mu=\dfrac{1}{\lambda}>1 si bien que lim⁡x→+∞f(μx)f(x)=lim⁡x→+∞f(1λx)f(x)=μ3=1λ3\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(\mu x)}{f(x)}=\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(\frac{1}{\lambda} x)}{f(x)}=\mu^3=\dfrac{1}{\lambda^3}. Mais puisque lim⁡x→+∞λx=+∞\lim\limits_{x\to+\infty}\lambda x= +\infty, par composition des limites on a
lim⁡x→+∞f(x)f(λx)=1lim⁡x→+∞f(λx)f(x)=1λ3.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(x)}{f(\lambda x)}=\dfrac{1}{\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(\lambda x)}{f( x)}}=\dfrac{1}{\lambda^3}. On a donc toujours lim⁡x→+∞f(λx)f(x)=λ3.\lim\limits_{x\to+\infty}\dfrac{f(\lambda x)}{f(x)}=\lambda^3.

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