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Soit α\alpha l'unique réel positif tel que sinh(α)=1\sinh(\alpha) = 1. On définit pour tout nNn \in \mathbb{N} l'intégrale :

In=0α(sinht)ndtI_n = \int_0^\alpha (\sinh t)^n   \mathrm{d}t

  1. Justifier l'existence et l'unicité de α\alpha. Donner une expression logarithmique de α\alpha.
  2. Montrer que la suite (In)nN(I_n)_{n \in \mathbb{N}} est décroissante et converge vers une limite \ell que l'on déterminera.
  3. À l'aide d'une intégration par parties, établir que pour tout n2n \geqslant 2 :
    nIn=2(n1)In2n I_n = \sqrt{2} - (n-1) I_{n-2}
  4. Déterminer un équivalent de InI_n quand n+n \to +\infty.
  5. Étudier la nature des séries (1)nIn\sum (-1)^n I_n et In\sum I_n.

1.

Pour α\alpha, résoudre exex=2e^x - e^{-x} = 2 en posant X=exX = e^x.

2.

Pour la limite, remarquer que sinht<1\sinh t < 1 sur [0,α[[0, \alpha[.

3.

Pour la récurrence, écrire (sinht)n=(sinht)n2(cosh2t1)(\sinh t)^n = (\sinh t)^{n-2} (\cosh^2 t - 1) ou intégrer par parties In=sinht(sinht)n1dtI_n = \int \sinh t \cdot (\sinh t)^{n-1} \mathrm{d}t.

4.

Pour l'équivalent, utiliser la relation nIn+(n1)In2=2n I_n + (n-1) I_{n-2} = \sqrt{2} et montrer que InIn2I_n \sim I_{n-2}.

Idées clés

Intégration par parties pour les relations de récurrence (type Wallis).

Théorème de convergence dominée pour la limite.

Analyse de récurrence pour l'équivalent.

Résolution.

  1. La fonction sinh\sinh est continue, strictement croissante sur R\mathbb{R} et réalise une bijection de [0,+[[0, +\infty[ sur [0,+[[0, +\infty[. Comme 1[0,+[1 \in [0, +\infty[, α\alpha existe et est unique. sinhα=1    eαeα2=1    (eα)22eα1=0\sinh \alpha = 1 \iff \frac{e^\alpha - e^{-\alpha}}{2} = 1 \iff (e^\alpha)^2 - 2e^\alpha - 1 = 0. En posant X=eα>0X = e^\alpha > 0, on trouve X=2+82=1+2X = \frac{2 + \sqrt{8}}{2} = 1 + \sqrt{2}.
    α=ln(1+2)\boxed{\alpha = \ln(1 + \sqrt{2})}

  2. Pour tout t[0,α]t \in [0, \alpha], 0sinht10 \leqslant \sinh t \leqslant 1. Donc (sinht)n+1(sinht)n(\sinh t)^{n+1} \leqslant (\sinh t)^n, d'où In+1InI_{n+1} \leqslant I_n. La suite est décroissante et minorée par 00, donc elle converge. Pour t[0,α[t \in [0, \alpha[, (sinht)n0(\sinh t)^n \to 0. Par convergence dominée (ou majoration simple),
    limnIn=0\boxed{\lim_{n \to \infty} I_n = 0}

  3. Pour n2n \geqslant 2, intégrons par parties In=0αsinht(sinht)n1dtI_n = \int_0^\alpha \sinh t \cdot (\sinh t)^{n-1}   \mathrm{d}t :
    In=[cosht(sinht)n1]0α(n1)0αcosh2t(sinht)n2dtI_n = [\cosh t (\sinh t)^{n-1}]_0^\alpha - (n-1) \int_0^\alpha \cosh^2 t (\sinh t)^{n-2}   \mathrm{d}t
    Comme sinhα=1\sinh \alpha = 1, alors coshα=1+sinh2α=2\cosh \alpha = \sqrt{1 + \sinh^2 \alpha} = \sqrt{2}.
    In=2(n1)0α(1+sinh2t)(sinht)n2dt=2(n1)In2(n1)InI_n = \sqrt{2} - (n-1) \int_0^\alpha (1 + \sinh^2 t) (\sinh t)^{n-2}   \mathrm{d}t = \sqrt{2} - (n-1) I_{n-2} - (n-1) I_n
    En regroupant les InI_n, on obtient :
    nIn+(n1)In2=2\boxed{n I_n + (n-1) I_{n-2} = \sqrt{2}}

  4. Comme In0I_n \to 0 et InI_n est décroissante, InIn1In2I_n \sim I_{n-1} \sim I_{n-2}. La relation précédente devient (n+n1)In2(n + n-1) I_n \sim \sqrt{2}, soit 2nIn22n I_n \sim \sqrt{2}.
    In22n=1n2\boxed{I_n \sim \frac{\sqrt{2}}{2n} = \frac{1}{n\sqrt{2}}}

    • La suite (In)(I_n) décroit vers 00, donc par le critère spécial des séries alternées, (1)nIn converge\boxed{\sum (-1)^n I_n \text{ converge}}.
    • Comme In1n2I_n \sim \frac{1}{n\sqrt{2}}, par comparaison avec la série harmonique (série de Riemann divergente), In diverge\boxed{\sum I_n \text{ diverge}}.

Calcul exact de cosh(alpha).

Technique de récurrence pour les intégrales de puissances de fonctions trigonométriques ou hyperboliques.