mathématiques MPSI · Chapitre 4 · Exercice de TD
Les inégalités de Jordan
Calcul différentiel et intégral · B. Dérivation et études de fonctions · niveau 2
Énoncé
a) Montrer que pour tout : .
b) Montrer que pour tout : .
c) Interpréter géométriquement l'encadrement obtenu (tangente en , corde), et l'étendre à .
Corrigé
La stratégie : une seule idée, la concavité. Le sinus est de classe et sur : le sinus est concave sur . Or la courbe d'une fonction concave sur un intervalle est au-dessous de chacune de ses tangentes et au-dessus de chacune de ses cordes. Les deux inégalités demandées sont exactement ces deux positions, lues sur deux droites bien choisies : pas d'étude de fonction à faire.
a) La tangente en . La tangente en à la courbe du sinus a pour équation . Par concavité, la courbe est au-dessous de sa tangente sur : (Sans la concavité : a pour dérivée , donc est croissante et ; c'est la preuve du cours de , valable sur tout entier.)
b) La corde. La corde qui joint les points et de la courbe a pour pente , donc pour équation . Par concavité, la courbe est au-dessus de sa corde entre les deux points qui la définissent : D'où l'encadrement, sur tout l'intervalle :
Le point délicat : où la concavité s'applique. La position par rapport à une corde ne vaut qu'entre les deux points qui la définissent, celle par rapport à une tangente que sur l'intervalle de concavité : ici pour les deux. Au-delà de la corde repasse au-dessus de la courbe (en : ), et sur le sinus est convexe. Un argument de concavité s'accompagne toujours de son intervalle.
Contrôle. Pour : , , : l'encadrement est vérifié. Aux deux bouts il devient égalité : en pour les deux inégalités (la tangente et la corde y touchent la courbe), en pour celle de gauche (). L'encadrement est donc optimal : aucune des deux constantes ne peut être améliorée.
c) L'interprétation, et l'extension. L'interprétation est la preuve elle-même : est la tangente en , la corde de à , et sur la courbe du sinus, concave, s'y tient entre les deux — sous la tangente, sur la corde.
Sur . Le sinus et sont impairs : pour , on applique l'encadrement à et l'on change les signes, ce qui renverse les inégalités : . Sous forme compacte, valable sur tout :
Ce que l'exercice installe. Le réflexe « une inégalité entre une fonction et une droite, c'est une position par rapport à une tangente ou à une corde » : dès que la dérivée seconde a un signe sur l'intervalle, l'inégalité se lit sur la figure et se démontre en une ligne — là où une étude de fonction demanderait de dériver deux fois. L'inégalité elle-même, l'inégalité de Jordan, est l'outil des majorations d'intégrales trigonométriques en deuxième année.
100 % gratuit
Essaie le suivant avec le tuteur
- L'exercice suivant avec le tuteur, sans compte : il guide pas à pas, sans donner la réponse
- 19 autres exercices corrigés dans ce chapitre, et 35 à chercher avec le tuteur
- Les 2 QCM du chapitre, le premier sans compte
- Le podcast et la vidéo du chapitre et la correction filmée du TD : 2 minutes sans compte
Sans compte : le cours, le premier QCM, 2 minutes de podcast et de vidéo et un exercice avec le tuteur. Pour tout le reste : inscription gratuite en 30 secondes, sans carte bancaire.