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Le lemme de l'escalier, et l'itérée du sinus

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques (MP/MPI), chapitre 5 — Séries numériques et vectorielles · C. Sommation des comparaisons et Cesàro

Énoncé

1) (Lemme de l'escalier.) Soit une suite réelle telle que (fini). Montrer que .

2) Soit et . Montrer que pour , que la suite est strictement décroissante et qu'elle tend vers .

3) Montrer que .

4) En déduire .

5) Obtenir un terme de plus : .

6) Énoncer la méthode générale que cet exercice illustre.

Corrigé

La stratégie. Une suite récurrente sans forme close ne se résout pas : on cherche la bonne transformation qui rend ses accroissements convergents. Ici , donc : c'est cette suite-là qui a une chance d'avoir des accroissements de limite finie, et un développement limité du sinus le confirme. Cesàro fait le reste.

1) Le lemme de l'escalier. Posons . Le théorème de Cesàro — la moyenne arithmétique d'une suite convergente converge vers la même limite — donne . Or la somme au numérateur se télescope en , donc et, comme , . (L'image : si chaque marche a une hauteur qui tend vers , l'altitude après marches est équivalente à .)

2) L'itérée du sinus tend vers zéro.

Elle reste dans . Si alors , le sinus étant strictement positif sur et majoré par . Donc , et comme , une récurrence immédiate donne pour .

Elle décroît. Sur on a (première année : est nulle en et de dérivée , strictement positive sauf en des points isolés). Donc pour : la suite décroît strictement.

Elle converge vers zéro. Décroissante et minorée par , elle converge vers un . Le sinus étant continu, le passage à la limite dans donne . Or pour : le seul point fixe du sinus dans est . Donc .

3) Le développement limité. Puisque , on peut développer. Avec , on a . En développant le carré, avec pour et , et : En inversant, avec appliqué à : c'est-à-dire Comme , il vient

4) L'équivalent. Posons . La question 3 dit que , et le lemme de l'escalier de la question 1 donne Les étant strictement positifs, la racine carrée — croissante — donne

5) Un terme de plus. La question 3 donne davantage qu'une limite : puisque et . En sommant de à et en télescopant : Or (exercice 4), et la sommation des relations de comparaison, cas divergent, appliquée à la référence positive de série divergente, donne . Donc

Contrôle numérique, pour . Le rapport vaut en ( contre ), en , en : il tend vers , mais lentement, et c'est le terme en qui l'explique — en , vaut encore .

6) La méthode générale. Pour tendant vers avec , et , on cherche l'exposant tel que ait une limite finie non nulle : le même calcul qu'au 3) donne , de limite , et Cesàro conclut , soit . Ici , , , d'où . La méthode se transpose à (où , , d'où ) ou à .

Le point délicat. Il faut pousser le développement du sinus jusqu'à l'ordre au moins : c'est le terme qui produit le . Un développement à l'ordre donnerait un accroissement nul et Cesàro ne dirait rien. L'ordre , lui, n'est pas nécessaire pour l'équivalent : il ne sert qu'au terme suivant de la question 5.

Ce que l'exercice installe. C'est la méthode, pas l'exemple, qu'on retient : devant une suite récurrente sans forme close, on ne cherche pas la suite, on cherche la puissance qui rend ses accroissements convergents — et Cesàro transforme alors une information sur les accroissements en un équivalent de la suite. Ce lemme, admis en première année, est ici entièrement démontré, avec le seul outillage du chapitre.

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