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MPSI 3 - Fermat Le 9.11.

22
2022-2023

Devoir à la maison n◦ 3
CORRECTION
————————————————————–

Exercice
On cherche à résoudre l’équation différentielle

y 00 + 4y 0 + 4y = Φ(x)e−2x (EΦ )

1. L’équation différentielle homogène est

y 00 + 4y 0 + 4y = 0 (H)

C’est une équation différentielle linéaire homogène du second ordre à coefficients constants.
Son équation caractéristique associée est

r2 + 4r + 4 = (r + 2)2

Elle possède une racine double : r = −2 (∆ = 0).

Donc l’ensemble des solutions de (H) est {x 7→ (Ax + B)e−2x ; A, B ∈ R}

2. Pour Φ : x 7→ x2 − 2x + 1, l’équation différentielle devient :

y 00 + 4y 0 + 4y = (x2 − 2x + 1)e−2x (EΦ )

Il s’agit toujours d’une équation différentielle linéaire du second ordre à coefficients constants,
dont le second membre est de la forme d’un polynôme de degré 2 multiplié par une exponentielle
qui est une racine double de l’équation homogène.
On cherche donc une solution particulière de la même forme mais où le polynôme est de degré
4 (on peut même ne pas considérer la partie de degré 1 qui s’annulera dans (Eφ ).
Soit y(x) = (ax4 + bx3 + cx2 )e−2x . y est de classe C 2 sur R et

∀x∈R y 0 (x) = [−2ax4 + (4a − 2b)x3 + (3b − 2c)x2 + 2cx]e−2x

∀x∈R y 00 (x) = [4ax4 + (−16a + 4b)x3 + (12a − 12b + 4c)x2 + (6b − 8c)x + 2c]e−2x
y est solution de Eφ

⇐⇒ ∀ x ∈ R [4ax4 +(−16a+4b)x3 +(12a−12b+4c)x2 +(6b−8c)x+2c]+4[−2ax4 +(4a−2b)x3

+(3b − 2c)x2 + 2cx] + 4[ax4 + bx3 + cx2 ] e−2x = (x2 − 2x + 1)e−2x




⇐⇒ ∀ x ∈ R (4a−8a+4a)x4 +(−16a+4b+16a−8b+4b)x3 +(12a−12b+4c+12b−8c+4c)x2 +


(6b − 8c + 8c)x + 2c = x2 − 2x + 1
⇐⇒ ∀ x ∈ R 12ax2 + 6bx + 2c = x2 − 2x + 1
L’identification polynomiale est possible car le résultats est vrai pour tout x ∈ R :
1

 a = 12
−1
y est solution de Eφ ⇐⇒ b= 3
c = 12

Par conséquent, l’ensemble des solutions de (EΦ ) avec Φ : x 7→ x2 − 2x + 1 est


 
1 4 1 3 1 2
x 7→ ( x − x + x + Ax + x)e−2x ; A, B ∈ R
12 3 2

1
3. On suppose ici que Φ(x) = .
1 + x2
On ne peut donc pas appliquer la même méthode : ce n’est pas un polynôme
(a) Soit y une solution de (E) sur R.
y est solution de (E) donc nécessairement deux fois dérivable sur R.
x 7→ e2x est de classe C ∞ , donc

par produit, z est deux fois dérivable sur R

Puis pour tout x ∈ R


z 0 (x) = [y 0 (x) + 2y(x)]e2x z 00 (x) = [y 00 (x) + 4y 0 (x) + 4y(x)]e2x
Mais comme y est solution de (EΦ ), on a donc

1
∀x∈R z 00 (x) =
1 + x2
1
(b) Pour trouver z, il s’agit donc d’intégrer deux fois x 7→ 1+x 2 . Or

Z x
1
dt = Arctan t
1 + t2
On fait une intégration par parties avec u(t) = arctan t et v(t) = t, de classe C 1 :
Z x Z x Z x Z x
x t
arctan tdt = u(t)v 0 (t)dt = [u(t)v(t)] − u0 (t)v(t)dt = x arctan(x) − dt
1 + t2
Donc
1 1
z : x 7→ x arctan x + ln(|1 + x2 |) + C = x arctan x + ln(1 + x2 ) + C
2 2

(c) Les solutions sont exactement obtenus par l’addition d’une solution particulière de (EΦ ) (on
peut prendre y = ze−2x avec C = 0) et les solutions de (H).
Donc l’ensemble des solutions de (EΦ ) est

x 7→ x arctan x + 12 ln(1 + x2 ) + Ax + B e−2x ; A, B ∈ R


 

Problème : Étude des intégrales de Wallis


On considère la suite (In ) définie pour tout entier naturel n par :
Z π2
n
In = (sin x) dx
0

1. Etude classique de la suite (In )


(a)
Z π Z π
2 2 π
I0 = sin0 (t)dt = 1dt =
0 0 2
Z π Z π
2 2 π
I1 = sin1 (t)dt = sin tdt = [− cos t]02 = 1
0 0
π
R n+1
(b) Soit n ∈ N, In+2 = 0 (sin x) 2
sin(x)dx.
sinn+1 (x), de classe C 1 sur 0, π2 . ∀ x ∈ 0, π2 , u0 (x) = (n +
   
Considérons u : x →
7
1) cos x sinn (x).

Considérons v : x 7→ − cos(x), de classe C 1 sur 0, π2 . ∀ x ∈ 0, π2 , v 0 (x) = sin(x).


   

On peut faire une intégration par partie :


Z π2 Z π
2
π
0
In+2 = u(x)v (x)dx = [u(x)v(x)]0 −
2
u0 (x)v(x)dx
0 0 Z π2
= sinn+1 (0) cos(0) − sinn+1 π2 cos π2 + (n + 1) cos2 (x) sinn (x)dx =
Z π2 0
2 n
= (n + 1) (1 − sin (x)) sin (x)dx = (n + 1)In − (n + 1)In+2
0

On a donc (n + 1 + 1)In+2 = (n + 1)In

n+1
∀ n ∈ N, In+2 = In
n+2
(c) Soit p ∈ N.
2k − 1
En faisant n ← 2k − 2 (k > 1), dans la relation précédente on a I2k = I2k−2 , donc
2k
I2k 2k − 1
= .
I2(k−1) 2k
Puis en faisant le produit pour k de 1 à p (téléscopage) :
p
Y 2p
Y
p p
(2k − 1) h
I2p Y I2k Y 2k − 1 k=1 h=1 (2p)!
= = = p = !2 =
I0 I2(k−1) 2k Y p 22p (p!)2
k=1 k=1 Y
2k 2k
k=1 k=1

(On aura noté : les termes impairs sur les termes pairs) En faisant n ← 2k − 1 (k > 1),
2k I2k+1 2k
dans la relation précédente on a I2k+1 = I2k−1 , donc = .
2k + 1 I2(k−1)+1 2k + 1
Puis en faisant le produit pour k de 1 à p (téléscopage) :
p p
!2
Y Y
p p
2k 2k
I2p+1 Y I2k+1 Y 2k k=1 k=1 22p (p!)2
= = = p = 2p+1 =
I1 I 2k + 1 (2p + 1)!
k=1 2(k−1)+1
Y
k=1
Y
(2k + 1) h
k=1 h=1

(On aura noté : les termes pairs sur les termes impairs) Connaissant les valeurs de I0 et
I1 :
(2p)! π 22p (p!)2
∀ p ∈ N, I2p = 2p 2
I2p+1 =
2 (p!) 2 (2p + 1)!

(d) Pour tout x ∈ 0, 2 , sin x ∈ [0, 1], donc sinn (x) > 0.
 π

Ainsi, en multipliant l’inégalité vraie sin x 6 1 par sinn (x) > 0, on trouve : sinn+1 (x) 6
sinn (x).
Puis par croissance de l’intégration (0 < π2 ) : In+1 6 In .
Donc la suite (In ) est décroissante :

Pour tout entier naturel n : In+2 ≤ In+1 ≤ In .

(e) Nous avons vu à la question précédente que In > 0, on peut donc diviser l’inégalité précédente
par In , cela ne change pas l’ordre :
n+1 In+2 In+1
= 6 61
n+2 In In
d’après la réponse à la question 1.(b).
Enfin, comme ( n+1n+2 ) converge vers 1, on peut appliquer le théorème d’encadrement :

In+1
admet une limite quand n tend vers +∞. Cette limite vaut 1.
In

En particulier pour n ← 2p :
I2p+1 24p (p!)4 2
= 2
× →1
I2p (2p + 1)((2p)!) π
2p+1
En multipliant par 2p π qui tend vers π, on trouve :

24p (p!)4
lim =π
p→+∞ (2p)!2 p

2. Une autre méthode (pour n pair)


(a) Considérons ϕ1 : 0, π2 → 0, π2 , x 7→ π2 − x est une fonction affine bijective.
   

Posons alors t = ϕ1 (x), on a dt = −dx et


Z 0 Z π2
π 
In = sin( − t) )n (−dt) = cosn (t)dt
π
2
2 0
Considérons ϕ2 : 0, π2 → π2 , π , u 7→ π − u est une fonction affine bijective.
   

Posons alors u = ϕ2 (t), on a du = −dt et


π
Z 2
Z π
In = cosn (π − u)(−du) = (−1)n cosn (u)du
π
π 2

π
Z 2
Z π
∀ n ∈ N, In = (cos t)n dt = (−1)n (cos u)n du
π
0 2

(b) Soit p ∈ N.

 eit + e−it 2p 2p   2p  


X 2p kit (2p−k)(−it) X 2p 2(k−p)it
= e e = e
2 k k
k=0 k=0

Donc, par linéarité de l’intégrale :


Z π  eit + e−it 2p 2  Z π
1 X 2p
dt = 2p e2(k−p)it dt
0 2 2 k 0
k=0

1
Pour k 6= p, une primitive de t 7→ e2(k−p)it est e2(k−p)it , donc
2i(k − p)
Z π
1 h i 1
e2(k−p)it dt = e2iπ(k−p) − e0 = (1 − 1) = 0
0 2i(k − p) 2i(k − p)

Pour k = p, une primitive de t 7→ e2(k−p)it = 1 est t 7→ t.

t 7→ e2(k−p)it = π
Ainsi
Z π  eit + e−it 2p  
1 2p
dt = 2p π
0 2 2 p

(c) Si n = 2p est pair, on a alors :


π
Z Z Z π
2
n 2p ππ
2In = 2I2p = cos tdt + (−1) cosn tdt = cos2p (t)dt
0 2 0

eit +e−it
d’après la relation de Chasles. Or 2 = cos t, donc d’après la question précédente :
 
1 1 2p (2p)! π
In = π = 2p
2 22p p 2 (p!)2 2

3. L’application ψ : 0, π2 → [0, 1], θ 7→ sin θ est bijective, de classe C 1 .


 
1
On fait le changement de variable x = ψn (θ), donc dx = cos θdθ ou encore dθ = √ dx.
Z 1 p Z π2   1 − x2
n+1 1
xn 1 − x2 dx = sinn θ(1 − sin2 θ)dθ = In − In+2 = 1 − In = In
0 0 n + 2 n + 2

(2p)! π
si n = 2p

Z 1 
2p (p!)2 4p + 4
2
p 
n
x 1 − x2 dx =
0
22p (p!)2
si n = 2p + 1


(2p + 1)!(2p + 3)

Problème - Intégrales abéliennes

1. On appelle intégrale abélienne de première espèce, les intégrales du type :


Z r !
n ax + b
R x, dx
cx + d

où R est une fraction rationnelle


r (et n ∈ N).
ax + b
On considère ϕ : x 7→ n . On suppose que ad − bc 6= 0.
cx + d
On note I = {x ∈ R | cx + d 6= 0 et ax+b
cx+d > 0}
ax+b
(a) cx+d > 0 si et seulement si ax + b et cx + d ont strictement le même signe.
Plusieurs options (on supposera que ad − bc 6= 0 donc on a pas (ax + b) = λ(cx + d)) :
— Ou bien − ab < − dc
— si a × c > 0. Alors ax+b b d
cx+d > 0 ⇐⇒ x ∈] − ∞, − a [∪] − c , +∞[.
ax+b b d
— si a × c < 0. Alors cx+d > 0 ⇐⇒ x ∈] − a , − c [.
— Ou bien − ab > − dc
— si a × c > 0. Alors ax+b d b
cx+d > 0 ⇐⇒ x ∈] − ∞, − c [∪] − a , +∞[.
— si a × c < 0. Alors ax+b d b
cx+d > 0 ⇐⇒ x ∈] − c , − a [.
I est intervalle, ou la réunion de deux intervalles.

(b) Soit I 0 = [α, β], un intervalle inclus dans I. La fonction ϕ est continue sur I 0 .
Par ailleurs, elle est dérivable de dérivée
  1−n
0 1 ax + b n
ad − bc
ϕ : x 7→ ×
n cx + d (cx + d)2
| {z }
>0

donc ϕ est strictement monotone (selon le signe de ad − bc) sur I 0 .

Et donc ϕ établit une bijection de I 0 sur l’intervalle J 0 = [ϕ(α), ϕ(β)] (si ad − bc > 0)
ou sur l’intervalle J 0 = [ϕ(β), ϕ(α)] (si ad − bc < 0).

(c) On note γ = ϕ(α) et δ = ϕ(β).


La fonction ϕ étant :
— continue,
— strictement monotone de l’intervalle I 0 = [α, β] dans l’intervalle J = [γ, δ] ou [δ, γ],
— de classe C 1 sur I 0
elle établit une bijection de classe C 1 (C 1 -difféomorphisme), on peut alors faire le changement
de variable :
ax + b dtn − b
t = ϕ(x) ⇐⇒ tn = ⇐⇒ =x
cx + d −ctn + a
dtn − b
Notons ψ : J0 → I 0 , t 7→ , il s’agit de l’application réciproque de ϕI 0 .
a − ctn
Elle est également de classe C 1 et ∀ t ∈ J :

ndtn−1 (a − ctn ) − (−nctn−1 )(dtn − b) ntn−1 (ad − bc)


ψ 0 (t) = n 2
=
(a − ct ) (c − atn )2
!
β δ
r
dtn − b n(ad − bc)tn−1
Z Z  
n ax + b
En posant t = ϕ(x), on a R x, dx = R n
, t dt
α cx + d γ a − ct atn − c)2

1
(d) Il s’agit du calcul de l’intégrale de x+y qui est bien une fraction rationnelle avec y(x) =

x − 1. √ 2
On pose donc t = x − 1 ⇔ t√ + 1 = x.
En effet, l’application ϕ : t 7→ t − 1 est bijective sur [1, 2] à valeurs dans [0, 1] (par croissance
1
de ϕ), elle est dérivable sur [1, 2] de dérivée ϕ0 : t 7→ √ .
2 t−1
Cela donne le calcul
Z 2 Z 1 Z 1 Z 1
1 1 2t + 1 1
√ dx = 2
(2tdt) = 2
dt − 2
dt
1 x+ x−1 0 t +1+t Z 1 0
t +t+1 0 t +t+ 1 1
 2
1 1 2 2x + 1
= ln |t + t + 1| 0 −  √ 2 dt = ln 3 − √ arctan √
0 (t + 1 )2 + 3 3 3 0
2 2
√  √
2  √ 1
 2 3 π π  3
= ln 3 − √ arctan 3 − arctan √3 = ln 3 − − = ln 3 − π
3 3 3 6 9
Z 2

1 3
√ dx = ln 3 − π
1 x+ x−1 9

1
(e) On cherche une primitive de f : x 7→ √ √ , définie sur R+ .
Z x x + 3
x
1
On considère donc F : x 7→ √ √
3
dt, définie sur R+ .
· t + t
√ 1 1
On pose u = 6 t ⇐⇒ u6 = t, on a alors √ √ = 3 , fraction rationnelle en u.
√ t + 3
t u + u2
On peut faire ce changement car t 7→ 6 t est bijective de R+ sur R+ (non dérivable en 0).
On a alors Z √ 6 x Z √ 6 x
6u5 u3
F (x) = 3 2
du = 6 du
· u +u · u+1
Faisons la division euclidienne : u3 = (u + 1)(u2 − u + 1) − 1
Z √ Z √
 
6 x 6 x
1 1 √ 1 √ √ √
F (x) = 6 (u2 − u + 1)du − 6 du = 6  2 x − 3 x + 6 x − ln( 6 x + 1) + C
· · u+1 3 2 | {z }
>0

√ √ √ √
∃ C ∈ R tq F (x) = 2 2 x − 3 3 x + 6 6 x − 6 ln( 6 x + 1) + C

2. On appelle intégrale abélienne de première espèce, les intégrales du type :


Z  p 
R x, ax2 + bx + c dx

où R est une fraction rationnelle.

(a) On exploite la forme canonique :

b c b 4ca − b2  4ac − b2
(ax2 + bx + c) = a(x2 + x + ) = a (x + )2 + = a(y 2
+ )
a a 2a 4a2 4a2
2
Selon le signe de a et de ca−b
a2 , on a les cas suivant

ax2 + bx + c a<0 √ a>0 √
4ca−b 2 √ p
2 2
b2 − 4ac √ p 2 2
b2 − 4ac
4a2 <0 a A − y avec A = a y − A avec A =
2a √ 2a
4ca−b2 √ p 2 4ac − b2
4a2 >0 Impossible (tout est négatif) a y + A2 avec A =
2a
(Le cas a = 0 n’est pas intéressant).

En admettant la possibilité théorique de faire les changements de variable suivant, on posera :


A
y = Ashu ou y = A tan u , y = Achu ou y = , y = A sin u
cos u
respectivement.
 √
(b) On remarque que : −t2 − 4t = − (t + 2)2 − 4 = (4 − (t + 2)2 ). Ici a = −1 < 0 et A = 4 = 2.
On pose donc (y =)t + 2 = 2 sin u ⇐⇒ t = 2 sin u − 2,
on a donc 4 − (t + 2)2 = 4(1 − sin2 u) = 4 cos2 u et dt = 2 cos udu.
Enfin : u 7→ 2 sin u − 2 est bijective de [− π2 , π2 ] sur [−4, 0]
π π
Z 0 p Z 2
Z 2
−t2 − 4tdt = 2| cos u|2 cos udu = 4 cos2 udu
−4 −π
2 −π
2
π
Z 0 p Z 2 π
−t2 − 4tdt = 2 (cos(2u) + 1)du = [sin(2u) + 2u]−2 π
2
−4 −π
2

Z 0 p
−t2 − 4tdt = 2π
−4

(c) On remarque que t2 + t − 6 = (t + 12 )2 − 25 5


4 . Ici a = 1 > 0 et A = 2 .
1 5 1
Méthode 1. On pose donc (y =)t + 2 = 2 chu ⇐⇒ t = 2 (5chu − 1)
√ p 5
on a donc t t2 + t − 6 = 12 (5chu − 1) 52 ch2 u − 1 = 45 (5chu − 1)|shu| et dt = shudu
2
Enfin : u 7→ 12 (5chu − 1) est bijective de R+ sur [2, +∞].
Il existe donc 0 < a < b tel que 21 (5chu − 1) est bijective de [a, b] sur [3, 4] où sh(u) > 0.
En fait : a = argch 75 et b = argch 95 On a alors
Z 4 Z b Z b Z b
dt 2du 4du 4eu du
√ = = u −u − 2
= 2u − 2eu + 5
a 5chu − 1 a 5e + 5e a 5e
2
3 t t +t−6

On fait ensuite le changement de variable v = eu , on peut le faire car exp est bijective de R
dans R+ , et de classe C 1 .
On a alors dv = eu du.
Z 4 Z eb Z b
dt 4dv 4 e dv
√ = 2 − 2v + 5
= 1 2 24
2
3 t t +t−6 e a 5v 5 e a (v − 5 ) + 25
 eb
4 5 5 1
= √ arctan( √ (v − ))
5 24 24 5 ea

Méthode 2. On pose donc (y =)t + 12 = 2 cos 5 5−cos u


u ⇐⇒ t = 2 cos u
√ 5
√ 5 5 sin u
on a donc t2 + t − 6 = 2| cos 2
u| 1 − cos u = 2 | tan u| et dt = 2 cos2 u du Enfin : u 7→
1 5 π
2 ( cos u − 1) est bijective de ]0, 2 [ sur [2, +∞].
π
Il existe donc 0 < a < b < 2 tel que 12 ( cos5 u − 1) est bijective de [a, b] sur [3, 4].
En fait : a = arccos 57 et b = arccos 59 et cos u, sin u > 0 sur [a, b]
Z 4 Z b Z b Z b
dt 5 sin u 5 sin u 2
√ = 5−cos u 5 du = 5 du = du
2
3 t t +t−6
2
a 2 cos u( 2 cos u ) 2 tan u a (5 − cos u) 2 sin u a 5 − cos u
On fait le classiquement changement de variable t = tan u2 ,
1 − t2 2
on rappelle que cos u = et du = dt.
1 + t2 1 + t2
Z 4 Z tan 2b Z tan 2b "√ √ #tan 2b
dt 4 1 6 6
√ = 2 ) − (1 − t2 )
dt = 3 2 dt = arctan t
2
3 t t +t−6 a
tan 2 5(1 + t tan 2 2 t + 1
a 3 2
tan a 2

Z 4
√ 
dt 6  7
  9

√ = arctan √524 (eargch 5 − 51 ) − arctan √524 (eargch 5 − 15 )
2
3 t t +t−6 √3  √ √
6 arccos 57

arccos 59

= arctan 26 tan 2 − arctan 2
6
tan 2
3
√ √
−12 + 64 −12 − 64
(d) Les racines de 12x − 4x2 − 5 sont x1 = = −12 et x 2 = = 52 .
−8 −8
Donc la fonction intégrant n’est définie que sur ] − 21 , 52 [, où elle admet une primitive.
On remarque que 12x − 4x2 − 5 = 4(3x − x2 − 54 ) = 4(1 − (x − 32 )2 ). Ici a = −4 < 0 et A = 1.
On pose donc (y =)x − 23 = sin u ⇐⇒ x = sin u + 32 ,
on a donc 12x − 4x2 − 5 = 4(1 − sin2 u) = 4 cos2 u.
Enfin u 7→ sin u + 32 est bijective de ] − π2 , π2 [ sur ] − 21 , 52 [.
elle est dérivable, de dérivée : u 7→ cos u. Donc, pour s ∈] − 12 , 52 [ :
s arcsin(s− 32 ) arcsin(s− 23 )
8x − 3
Z Z Z
8 sin u + 9 9
√ dx = cos udu = (4 sin u + )du
· 12 − 4x2 − 5 · 2| cos u| · 2
p
car cos u > 0, puisque u ∈] − π2 , π2 [. Enfin, comme cos arcsin(y) = 1 − y2 :
s
8x − 3
Z
3 9 3 9 3 p
√ dx = −4 cos(arcsin(s − )) + arcsin(s − ) = arcsin(s − ) − 2 12s − 4s2 − 5
· 12 − 4x2 − 5 2 2 2 2 2

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