2003 : Utilisation du calcul intégral dans les suites


Soit n un entier naturel non nul. On considère les fonctions f_{n} et g_{n} définies par:

 

\left\{ \begin{array}{rrrrr}
 f_{n}(x) & = & \frac{\sin(nx)}{\sin x} & ; si & \text{ }x\neq0 \\
\\
 f_{n}(0) & = & n
\end{array}
\right.

 

\left\{ \begin{array}{rrrrr}
 g_{n}(x) & = & \frac{\sin(nx)}{ x} & ; si & \text{ }x\neq0 \\
\\
 g_{n}(0) & = & n
\end{array}
\right.


1) justifier l'existence de chacune des intégrales suivantes:

K_{n}=
{\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}}
f_{n}(x)dx

I_{n}=
{\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}}
[f_{n}(x)]^{2}dx

et J_{n}=
{\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}}
[f_{n}(x)]^{2}\cos^{2}xdx

 

2) a) Calculer pour tout n\geq2, K_{n}-K_{n-2} en fonction de n;

puis pour p\geq1, K_{2p+1}-K_{2p-1}

 

b) En déduire que K_{2p+1}=\frac{\pi}{2};\qquad(1)

3) Soit x\in
\mathbb{R}
\backslash\pi
\mathbb{Z}
(c'est à dire que x est un réel non multiple de \pi).

 

a) On pose z=e^{ix}. Exprimer en fonction de x la somme S=z+z^{3}+z^{5}+....+z^{2n-1}

 

b) Vérifier que e^{2ix}-1=2i\times\sin xe^{ix}

c) En déduire que

 

\sin x+\sin(3x)+\sin(5x)+...+\sin(2p-1)x+...+\sin(2n-1)x=\frac{\sin^{2}nx}{\sin x};\qquad(2)

 

4) En utlisant (1) et (2), montrer que :I_{n}=n\frac{\pi}{2};\forall n\in
\mathbb{N}
^{\ast}.

Calculer I_{n}-J_{n} et en déduire la valeur de J_{n}.

 

5) Démontrer que pour tout n\in
\mathbb{N}
^{\ast} on a : J_{n}\leq
{\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}}
[g_{n}(x)]^{2}dx\leq I_{n};\qquad(3).

Pour cela, on pourra utiliser la relation: \sin x\leq x\leq\tan x; valable
pour tout x de \left[  0,\frac{\pi}{2}\right[  .

 

6) On pose pour tout n\in
\mathbb{N}
^{\ast}, u_{n}=
{\displaystyle\int_{0}^{\frac{n\pi}{2}}}
[g_{1}(x)]^{2}dx. En utilisant le changement de variable x=nt, donner une

 

autre expression de u_{n}.

Déduire à l'aide de (3) que la suite (u_{n}) est convergente et
donner sa limite.





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