mathématiques (PCSI) · Chapitre 9 · Exercice de TD
Le développement limité d'une réciproque, et le ressort qui durcit
Analyse asymptotique · F. Problèmes asymptotiques · niveau 2
Énoncé
Soit , .
a) Montrer que réalise une bijection de sur , que est impaire et de classe .
b) On écrit . Déterminer , , en identifiant dans .
c) Contrôle par réinjection : vérifie . En déduire successivement , , puis le résultat du b).
d) (Physique.) Un ressort « raidissant » exerce, pour un allongement , une force de norme , avec et . Exprimer l'allongement sous la force par un développement à l'ordre en .
Corrigé
La stratégie. On ne calcule pas — il faudrait résoudre une équation du troisième degré. On postule la forme de son développement, que la parité réduit à trois inconnues, et on identifie dans , dont le développement est connu. Encore faut-il savoir d'abord que ce développement existe.
a) Existence, parité, régularité. : est continue, strictement croissante, de limites et ; par le théorème de la bijection, c'est une bijection de sur . Parité : si , alors , donc , et . Régularité : est de classe et sa dérivée ne s'annule pas ; par le théorème du cours sur la réciproque d'une fonction de classe , est de classe , et Taylor–Young lui donne un développement à tout ordre, en puissances impaires. C'est qui autorise tout ce qui suit : pour , la réciproque n'est pas dérivable en , et aucune identification n'aurait de sens.
b) L'identification. Reportons dans . Le cube, à l'ordre , ne retient que et les trois façons de prendre : . Donc Par unicité : ; ; . Contrôle : la solution de est , et ; l'écart, , est de la taille de (le coefficient suivant vaut ).
c) Par réinjection. L'équation s'écrit , où quand , par continuité de .
- Premier tour. De , on tire : , donc et .
- Deuxième tour. , donc .
- Troisième tour. , donc .
Même résultat, et l'on voit la mécanique : chaque réinjection apporte un terme exact de plus. C'est la méthode des équations à paramètre, qui sert à l'exercice suivant.
d) Le ressort raidissant. Avec , la loi s'écrit , donc et, quand , Le premier terme est la loi de Hooke ; le second, négatif, dit que le ressort s'allonge moins que Hooke ne le prévoit — il durcit ; pour , la correction relative est de 1 %.
Ce que l'exercice installe. Inverser un développement limité est une identification, jamais un calcul de dérivées de ; la parité divise le travail par deux ; la réinjection en est la version itérative, l'outil général des développements asymptotiques. En physique, chaque fois qu'on inverse une loi non linéaire — l'allongement en fonction de la force, une température en fonction d'une résistance mesurée —, c'est ce calcul qu'on fait.
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