mathématiques MPSI · Chapitre 11 · Exercice de TD
Les racines de : trois termes
Analyse asymptotique · F. Problèmes asymptotiques · niveau 3 (difficile)
Énoncé
1) Pour , montrer que l'équation admet une unique solution dans .
2) Montrer que .
3) On pose . Montrer que , que , et en déduire , puis .
4) Conclure : .
Corrigé
La stratégie. Une équation à paramètre se résout par réinjection : existence par monotonie, équivalent grossier par encadrement, puis changement de variable qui ramène près de , où les développements limités travaillent.
1) Existence et unicité. Sur , la fonction est de classe , de dérivée , nulle au seul point . Une fonction dérivable de dérivée positive, nulle en un seul point, est strictement croissante. Ses limites sont en (à droite) et en (à gauche), car y tend vers et reste borné. Par le théorème de la bijection, s'annule en un unique point de .
Localisons mieux : pour , et est croissante, donc :
2) L'équivalent grossier. En divisant l'encadrement par : , et les deux bornes tendent vers . Par encadrement, . En particulier .
3) Le changement de variable. Comme , on a — donc a fortiori . Calculons sa tangente : par -périodicité, , et Avec et : .
Limite. Sur , la tangente est une bijection croissante sur , de réciproque , continue. Donc , et comme , .
Équivalent. Puisque , (composition de l'équivalent avec la suite , licite). Donc (quotient d'équivalents, d'après le 2)).
Le point délicat. L'équivalent est trop grossier pour donner directement le terme suivant : il dit , et est un . C'est le changement de variable , qui mesure la distance au bord de l'intervalle et tend vers , qui permet d'écrire des développements limités. Réinjecter dans produit alors le terme d'ordre .
4) Conclusion. avec : Contrôle numérique : et ; et la formule donne ; et vaut pour , pour , pour : l'équivalent est confirmé, avec un écart en .
Pour aller plus loin. Un tour de réinjection de plus : , et , d'où et Pour , cette formule et la valeur exacte coïncident à près. Chaque réinjection apporte un terme ; on s'arrête quand on a ce qu'on veut.
Ce que l'exercice installe. La méthode des équations à paramètre : existence par monotonie, équivalent par encadrement, changement de variable vers , réinjection. Le développement asymptotique n'est pas en puissances de seulement : le terme vient de la géométrie de l'intervalle, et les suivants du développement limité de la tangente. C'est la structure du problème final.
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