Deux inégalités qui encadrent le nombre
Application directe du cours · niveau 2 · mathématiques (PCSI), chapitre 4 — Calcul différentiel et intégral · C. Exponentielle, logarithmes, puissances
Énoncé
À partir des inégalités et , montrer que pour tout :
Corrigé
Stratégie : partir des deux inégalités de référence et les appliquer au bon argument. Les inégalités et sont les deux briques du cours sur l'exponentielle et le logarithme. Tout consiste à les appliquer avec , puis à repasser à l'exponentielle — opération licite parce que l'exponentielle est strictement croissante.
1) L'encadrement de . Soit et posons . L'encadrement du logarithme donne
et le membre de gauche se simplifie en . D'où
2) Le passage à l'exponentielle. Multiplions l'inégalité de droite par :
Multiplions l'inégalité de gauche par :
L'exponentielle étant strictement croissante sur , elle conserve le sens des inégalités. Comme pour , il vient
⚠️ Le point délicat est le passage de l'inégalité à l'exponentielle. Il n'est licite que parce que l'exponentielle est croissante ; avec une fonction décroissante, le sens se renverserait. Et il faut multiplier chaque inégalité par le bon facteur — à droite, à gauche —, ce qui n'est pas symétrique : c'est ce décalage qui produit les deux exposants différents, et donc un encadrement, et non une égalité.
3) Ce que cela dit du nombre . Les deux bornes s'écrivent aussi
quantité qui tend vers zéro. Les deux suites qui encadrent se resserrent donc autour de lui, et cet encadrement est le point de départ de la définition du nombre comme limite de .
Contrôle numérique. Pour : , ce qui est vrai puisque . ✔ Pour : et , et . ✔ Pour : la borne inférieure vaut , à moins de millièmes de . ✔ Une vérification pour tous les jusqu'à vingt mille ne trouve aucun rang en défaut.
Ce que l'exercice installe. Un savoir-faire et un résultat. Le savoir-faire : les inégalités de référence sur et ne servent presque jamais telles quelles — on les applique à un argument bien choisi, souvent , puis on repasse par la croissance d'une fonction. Le résultat : l'encadrement obtenu donne à la fois la convergence de vers , et une majoration explicite de l'erreur commise — c'est le premier calcul rigoureux du nombre que l'on rencontre.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.