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Soit xx un nombre réel. Pour tout entier naturel nn, on définit le produit :

Pn(x)=k=0n(1+x2k)P_n(x) = \prod_{k = 0}^n \left(1 + x^{2^k}\right)

  1. Pour x1x \neq 1, déterminer une expression simplifiée de Pn(x)P_n(x) sous forme d'une somme de puissances de xx, puis sous forme d'un quotient.
  2. Étudier la convergence de la suite (Pn(x))n0(P_n(x))_{n \geqslant 0} selon les valeurs de xx et déterminer sa limite lorsqu'elle existe.

1.

Question 1 : On pourra soit utiliser l'unicité du développement en base 2 des entiers, soit multiplier l'expression par (1x)(1-x) et procéder par récurrence ou par télescopage.

2.

Question 2 : Discuter selon que x<1|x| < 1, x=1x = 1, x=1x = -1 ou x>1|x| > 1.

Idées clés

Identification d'une somme géométrique via la décomposition binaire.

Utilisation de l'identité remarquable (1a)(1+a)=1a2(1-a)(1+a) = 1-a^2.

Analyse de la limite d'une suite géométrique.

1. Simplification de l'expression de Pn(x)P_n(x).

Méthode 1 : Par le développement en base 2. En développant le produit Pn(x)=(1+x)(1+x2)(1+x4)(1+x2n)P_n(x) = (1+x)(1+x^2)(1+x^4)\dots(1+x^{2^n}), on obtient une somme de termes de la forme :

xϵ020+ϵ121++ϵn2nx^{\epsilon_0 \cdot 2^0 + \epsilon_1 \cdot 2^1 + \dots + \epsilon_n \cdot 2^n}
où chaque ϵk{0,1}\epsilon_k \in \{0, 1\}.

D'après le théorème de décomposition en base 2, tout entier m0,2n+11m \in \llbracket 0, 2^{n+1}-1 \rrbracket possède une unique écriture sous cette forme. Ainsi, le produit est exactement la somme de toutes les puissances de xx de 00 à 2n+112^{n+1}-1 :

Pn(x)=m=02n+11xm\boxed{ P_n(x) = \sum_{m=0}^{2^{n+1}-1} x^m }

Méthode 2 : Par identité algébrique (si x1x \neq 1). On remarque que :

(1x)Pn(x)=(1x)(1+x)(1+x2)(1+x4)(1+x2n)(1-x) P_n(x) = (1-x)(1+x)(1+x^2)(1+x^4)\dots(1+x^{2^n})

En utilisant successivement l'identité (1a)(1+a)=1a2(1-a)(1+a) = 1-a^2, on obtient par récurrence :

(1x)Pn(x)=(1x2)(1+x2)(1+x4)(1+x2n)=1x2n+1(1-x)P_n(x) = (1-x^2)(1+x^2)(1+x^4)\dots(1+x^{2^n}) = 1 - x^{2^{n+1}}

Comme x1x \neq 1, on en déduit l'expression rationnelle :

Pn(x)=1x2n+11x\boxed{ P_n(x) = \frac{1 - x^{2^{n+1}}}{1 - x} }

2. Étude de la convergence.

Cas 1 : x<1|x| < 1. Dans ce cas, limn+2n+1=+\lim_{n \to +\infty} 2^{n+1} = +\infty et comme x<1|x| < 1, on a limn+x2n+1=0\lim_{n \to +\infty} x^{2^{n+1}} = 0. D'après l'expression précédente :

limn+Pn(x)=101x=11x\lim_{n \to +\infty} P_n(x) = \frac{1 - 0}{1 - x} = \frac{1}{1-x}

Cas 2 : x=1x = 1. D'après la définition du produit, Pn(1)=k=0n(1+1)=2n+1P_n(1) = \prod_{k=0}^n (1+1) = 2^{n+1}.

limn+Pn(1)=+(Divergence)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} P_n(1) = +\infty   (\text{Divergence}) }

Cas 3 : x=1x = -1. Pour tout k1k \geqslant 1, x2k=(1)2k=1x^{2^k} = (-1)^{2^k} = 1 car 2k2^k est pair. Cependant, pour k=0k=0, x20=1x^{2^0} = -1. Le premier facteur du produit est 1+(1)=01 + (-1) = 0. Dès lors, pour tout n0n \geqslant 0, Pn(1)=0P_n(-1) = 0.

limn+Pn(1)=0\boxed{ \lim_{n \to +\infty} P_n(-1) = 0 }

Cas 4 : x>1x > 1. Alors x2n+1+x^{2^{n+1}} \to +\infty. Comme 1x<01-x < 0, on a par quotient :

limn+Pn(x)=limn+1x2n+11x=+(Divergence)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} P_n(x) = \lim_{n \to +\infty} \frac{1 - x^{2^{n+1}}}{1 - x} = +\infty   (\text{Divergence}) }

Cas 5 : x<1x < -1. Alors x>1|x| > 1, donc x2n+1=(x)2n+1+x^{2^{n+1}} = (|x|)^{2^{n+1}} \to +\infty car l'exposant est pair. Comme 1x>21-x > 2, le numérateur tend vers -\infty et le dénominateur est positif :

limn+Pn(x)=(Divergence)\boxed{ \lim_{n \to +\infty} P_n(x) = -\infty   (\text{Divergence}) }

Cas particulier x = -1 à ne pas occulter.

L'identité du produit des (1+x^{2^k}) est liée à la décomposition binaire.