Un calcul complexe pour deux approximations réelles
Exercice de TD · niveau 2 · mathématiques (PTSI), chapitre 14 — Intégration · E. Inégalité de Taylor-Lagrange
Énoncé
Appliquer l'inégalité de Taylor-Lagrange à la fonction, à valeurs complexes, , dont toutes les dérivées sont de module , pour obtenir en déduire, en séparant parties réelle et imaginaire, des approximations polynomiales certifiées de et simultanément.
Application — le pendule simple. L'équation d'un pendule simple, , devient celle de l'oscillateur harmonique quand on remplace par : c'est l'approximation des petits angles. Montrer que, pour rad (environ ), l'erreur relative est inférieure à , et que l'approximation commet une erreur au plus .
Corrigé
La stratégie. Calculer une fois dans , lire deux résultats dans . L'exponentielle complexe a des dérivées d'une simplicité extrême, ce que ni le cosinus ni le sinus n'ont séparément.
1) L'inégalité. La fonction est de classe de dans , et , de module pour tout réel : on peut prendre , quels que soient et le segment. En , , d'où le polynôme de Taylor . Le cours précise que l'inégalité de Taylor-Lagrange subsiste telle quelle pour une fonction à valeurs complexes : avec et , on obtient l'inégalité annoncée.
2) La séparation. Les puissances de défilent selon le cycle , , , : les indices pairs donnent des termes réels, ; les indices impairs des termes imaginaires purs, . Ainsi , avec Comme , la différence a pour partie réelle et pour partie imaginaire . La valeur absolue de la partie réelle d'un complexe, comme celle de sa partie imaginaire, est majorée par son module : pour tout réel ,
Le point délicat. C'est l'inégalité , et , qui transporte la majoration complexe vers les deux majorations réelles ; la positivité et la croissance, elles, n'ont pas de sens dans , qui n'est pas ordonné.
3) Le pendule. Le sinus. Avec , , et . Pour une erreur relative, il faut aussi minorer le dénominateur : . Donc et pour , : le majorant vaut au plus . L'erreur relative est inférieure à . Elle vaut réellement en rad, et atteint vers rad : la borne et le seuil sont presque exacts.
Le cosinus. Avec , et , soit au plus pour .
Le point délicat : local contre global. La formule de Taylor-Young dit que quand , et ne dit rien de l'erreur en . Seule l'inégalité de Taylor-Lagrange, globale, certifie un domaine de validité chiffré.
Ce que l'exercice installe. Une seule application de l'inégalité de Taylor-Lagrange, sur l'exponentielle complexe, certifie deux approximations réelles : c'est la raison profonde de la notation complexe des physiciens en régime sinusoïdal. Et l'on sait maintenant ce que veut dire « petits angles » : jusqu'à quatorze degrés environ, remplacer par dans l'équation du pendule fausse le terme de rappel de moins d'un pour cent.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.