Contrôle continu du 28 octobre 2009

Université Pierre et Marie Curie.
Année universitaire 2009/2010
Unité d’enseignement LP206.
Mathématiques pour physiciens I
Contrôle continu du 28 octobre 2009
Durée : deux heures
Les calculatrices et les documents sont interdits. Les téléphones portables doivent être éteints et rangés.
Exercice 1
Soit la suite de terme général
√
1
1
Sn = 1 + √ + · · · + √ − 2 n,
n
2
où n > 1.
1. On pose u1 = S1 et un = Sn − Sn−1 pourPn > 2.
Étudier la convergence de la série un .
2. La suite Sn converge-t-elle ?
Exercice 2
1.
2.
3.
P
Rappeler, sans démonstration, lesP
valeurs de α pour lesquelles la série n>1 1/nα converge.
n+1
Pour quelles valeurs de α la série n>1 (−1)P
/nα converge-t-elle ? Justifier.
On s’intéresse à la convergence de la série n>1 un , où
un =
a.
b.
(−1)n+1
.
+ (−1)n
nα
Faire un développement limité de un au premier ordre pour n tendant vers l’infini.
On pose un = (−1)n+1 /nα + vn . Donner
n.
P l’expression de vP
Discuter la convergence (simple) de n>1 vn , puis celle de n>1 un selon la valeur de α.
Exercice 3
On considère la fonction
f (x) =
x3
,
− 1)
(ea x
où x > 0 et a est une constante strictement positive (cette fonction intervient dans l’étude du corps noir).
1. Donner le domaine de définition de f . Est-elle continue sur ce domaine ? Préciser son allure (limite
et tangente) au voisinage de x = 0 à l’aide d’un développement limité à l’ordre 3.
2. Calculer la dérivée de f et établir l’équation à laquelle obéissent le ou les extrémums de f pour x > 0
(on ne cherchera pas à la résoudre).
3. Montrer, à l’aide d’un graphique représentant e−a x en fonction de x, que le seul extrémum pour x > 0
est un point xm ∈ ]0, 3/a[.
4. Étudier les variations de f et représenter sa courbe.
1
Exercice 4
Soit
π/2
Z
In =
tan
x=0
1.
On rappelle que
cos x =
2.
x
cosn x dx.
2
a.
b.
a.
b.
1 − u2
,
1 + u2
x
.
où u = tan
2
Réécrire In en fonction de u.
Calculer I0 .
En intégrant par parties In en fonction de u, établir une relation entre In et In−1 .
En déduire par récurrence que


n
X

(−1)k−1 
n 

.
In = (−1) · ln 2 −
k 
k=1
3.
Question hors-barême.
On admettra que
Z 1
n
X
(−1)k−1
n
gn (x) dx,
+ (−1)
ln 2 =
k
x=0
où
gn (x) =
k=1
xn
.
1+x
On décompose cette dernière intégrale de la manière suivante :
Z
1
Z
gn (x) dx = An + Bn , où
x=0
a.
b.
c.
An =
cn
Z
1
gn (x) dx, Bn =
x=0
gn (x) dx
x=cn
Montrer que l’intégrale An est majorée par Mn = cn+1
n /(n + 1).
Donner, à l’aide d’un développement limité, un équivalent de Mn .
Encadrer 1/(1 + x) pour x ∈ [cn , 1].
En déduire un équivalent de Bn , puis de In .
2
et cn = 1 −
1
.
(n + 1)3/4