Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Sequence and seriesReviewed

Sequence of iterated sinus

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.
·
English
EnglishFrançais

Let uu be a complex sequence such that u0>0u_{0}>0 and un+1=sin⁡(un)u_{n+1}=\sin(u_{n}).

  1. Show that uu converges toward 00.
  2. Define vn:=1un+12−1un2v_{n}:=\frac{1}{u_{n+1}^{2}}-\frac{1}{u_{n}^{2}} for all n⩾0n\geqslant0. Show that vv converges toward a non-vanishing real number ll that you should explicit.
  3. Deduce finally, using Cesaro theorem (see reference below), that
    n3⋅un⟶n→+∞1.\sqrt{\frac{n}{3}}\cdot u_{n}\underset{n\to+\infty}{\longrightarrow}1.
I solved itMark it doneAdd to my listKeep it in your list

Solutions

1
Reveal solutionsAre you sure? Give it a try first.

Solution by UettechatFR

Discussions0 useful votes

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}}

Report

For an unclear, ambiguous, or possibly incorrect statement, please use the Discussion tab on the right. Report content that needs moderator intervention, such as dangerous, clearly non-mathematical, or plagiarized content.