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Correction des exercices 43 à 50 — Théorème des accroissements finis — Al Moufid

Correction des exercices 43 à 50 — Dérivation et étude des fonctions

Manuel Al Moufid · 2e Bac Sciences Mathématiques

Les exercices 43 à 50 montrent comment le théorème des accroissements finis permet de transformer une information sur la dérivée en une information sur les valeurs d’une fonction. Selon les questions, on cherche à encadrer une différence, à démontrer une inégalité, à obtenir une estimation numérique ou à étudier une suite. La méthode fondamentale consiste à choisir une fonction adaptée, à vérifier sa continuité sur le segment considéré et sa dérivabilité sur l’intervalle ouvert associé, puis à exploiter l’égalité fournie par le théorème. Lorsque l’on dispose directement d’une borne sur la valeur absolue de la dérivée, l’inégalité des accroissements finis donne immédiatement une majoration de \(|f(b)-f(a)|\). Les derniers exercices utilisent également le théorème de Rolle à travers une fonction auxiliaire construite spécialement pour faire apparaître la relation demandée.

Exercice 43 — Encadrement d’une différence de puissances

Repère de cours — Théorème des accroissements finis

Si une fonction \(f\) est continue sur un segment \([a,b]\) et dérivable sur \(]a,b[\), alors il existe au moins un réel \(c\in]a,b[\) tel que :

\[ f(b)-f(a)=(b-a)f'(c). \]

Le point \(c\) n’est généralement pas connu. L’intérêt du théorème est justement de pouvoir encadrer \(f(b)-f(a)\) à partir d’un encadrement de \(f'(c)\).

Exercice 43

Montrer que, pour tout \(n\in\mathbb{N}^{*}\) et tout \(r\in]0;1[\cap\mathbb{Q}\), on a :

\[ \frac{r}{(n+1)^{1-r}} \leq (n+1)^r-n^r \leq \frac{r}{n^{1-r}}. \]
Méthode. La différence \((n+1)^r-n^r\) suggère d’appliquer le théorème des accroissements finis à la fonction \(f(x)=x^r\) sur le segment \([n,n+1]\). Il faudra ensuite exploiter la position du point \(c\in]n,n+1[\).
Afficher la correction Masquer la correction

Considérons la fonction :

\[ f(x)=x^r. \]

Comme \(n\geq1\), la fonction \(f\) est continue sur \([n;n+1]\) et dérivable sur \(]n;n+1[\). Pour tout \(x\in]n;n+1[\) :

\[ f'(x)=rx^{r-1}=\frac{r}{x^{1-r}}. \]

D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]n;n+1[\) tel que :

\[ f(n+1)-f(n)=(n+1-n)f'(c). \]

Donc :

\[ (n+1)^r-n^r=\frac{r}{c^{1-r}}. \]

Or \(n\lt c\lt n+1\) et \(1-r\gt0\). Ainsi :

\[ n^{1-r}\lt c^{1-r}\lt(n+1)^{1-r}. \]

Par passage aux inverses :

\[ \frac{1}{(n+1)^{1-r}} \lt \frac{1}{c^{1-r}} \lt \frac{1}{n^{1-r}}. \]

En multipliant par \(r\gt0\), on obtient en particulier l’encadrement demandé :

\[ \boxed{ \frac{r}{(n+1)^{1-r}} \leq (n+1)^r-n^r \leq \frac{r}{n^{1-r}}.} \]
Le TAF transforme ici une différence de puissances en une valeur de la dérivée. L’encadrement vient ensuite uniquement de la position de \(c\) entre \(n\) et \(n+1\).

Exercice 44 — Inégalité des accroissements finis

En utilisant le théorème des accroissements finis, montrer les inégalités suivantes.

Repère de cours — Inégalité des accroissements finis

Si \(f\) est continue sur \([a,b]\), dérivable sur \(]a,b[\), et si \[ |f'(x)|\leq M \] sur l’intervalle considéré, alors :

\[ |f(b)-f(a)| \leq M|b-a|. \]

La stratégie consiste donc à choisir la fonction dont la différence apparaît dans l’énoncé, puis à rechercher une borne simple de sa dérivée.

1) \[ \forall(x,y)\in\mathbb{R}^2, \qquad |\sin x-\sin y|\leq|x-y|. \]
Méthode. On applique l’inégalité des accroissements finis à la fonction sinus. La borne essentielle est \(|\cos t|\le1\).
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(f(t)=\sin t\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), et :

\[ f'(t)=\cos t. \]

Pour tout réel \(t\) :

\[ |f'(t)|=|\cos t|\leq1. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ \boxed{|\sin x-\sin y|\leq|x-y|.} \]
La dérivée du sinus est bornée en valeur absolue par \(1\), ce qui contrôle directement l’écart entre deux valeurs du sinus.
2) \[ \forall x\in\mathbb{R}_{+}^{*}, \qquad \frac{x}{1+x^2} \lt \operatorname{Arctan}x \lt x. \]
Méthode. On applique le TAF entre \(0\) et \(x\) à la fonction Arctangente. Le point intermédiaire \(c\) vérifiera \(0\lt c\lt x\), ce qui permettra d’encadrer \(\frac1{1+c^2}\).
Afficher la correction Masquer la correction

Soit \(x\gt0\). La fonction \(f(t)=\operatorname{Arctan}t\) est continue sur \([0;x]\) et dérivable sur \(]0;x[\).

D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]0;x[\) tel que :

\[ \operatorname{Arctan}x-\operatorname{Arctan}0 = x f'(c) = \frac{x}{1+c^2}. \]

Comme \(0\lt c\lt x\), on a :

\[ \frac{1}{1+x^2} \lt \frac{1}{1+c^2} \lt 1. \]

En multipliant par \(x\gt0\) :

\[ \boxed{ \frac{x}{1+x^2} \lt \operatorname{Arctan}x \lt x.} \]
L’encadrement de \(\operatorname{Arctan}x\) provient ici directement de l’encadrement de sa dérivée entre \(0\) et \(x\).
3) \[ \forall(x,y)\in[0;10]^2, \qquad |x\sin x-y\sin y| \leq 11|x-y|. \]
Méthode. La différence donnée est celle de la fonction \(f(t)=t\sin t\). On calcule donc \(f'\), puis on cherche une majoration uniforme de \(|f'(t)|\) sur \([0,10]\).
Afficher la correction Masquer la correction

Considérons :

\[ f(t)=t\sin t. \]

Pour tout \(t\in[0;10]\) :

\[ f'(t)=\sin t+t\cos t. \]

Donc :

\[ |f'(t)| \leq |\sin t|+t|\cos t| \leq 1+10 = 11. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ \boxed{ |x\sin x-y\sin y| \leq 11|x-y|.} \]
La constante \(11\) vient simplement de la majoration de la dérivée sur l’intervalle imposé par l’énoncé.
4) \[ \forall x\in \left[0;\frac{\pi}{4}\right], \qquad \sin x\geq\frac{\sqrt2}{2}x. \]
Méthode. Pour \(x>0\), le TAF appliqué à la fonction sinus entre \(0\) et \(x\) fournit une écriture \(\sin x=x\cos c\). Il suffira alors de minorer \(\cos c\).
Afficher la correction Masquer la correction

Pour \(x=0\), l’inégalité est immédiate. Soit \(x\in]0;\frac{\pi}{4}]\).

La fonction sinus est continue sur \([0;x]\) et dérivable sur \(]0;x[\). D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]0;x[\) tel que :

\[ \sin x-\sin0=x\cos c. \]

Comme \(0\lt c\lt x\leq\frac{\pi}{4}\), la fonction cosinus étant décroissante sur \([0;\pi]\), on a :

\[ \cos c \geq \cos\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt2}{2}. \]

Ainsi :

\[ \boxed{ \sin x\geq\frac{\sqrt2}{2}x.} \]
Le point fourni par le TAF reste compris entre \(0\) et \(\frac\pi4\), où le cosinus est suffisamment grand pour fournir la minoration demandée.

Exercice 45 — Encadrements et majorations par la dérivée

Repère de cours — De la dérivée à une inégalité

Le TAF donne une égalité avec une valeur \(f'(c)\). Si l’on connaît un encadrement de la dérivée sur l’intervalle, cette égalité devient alors un encadrement de la différence \(f(b)-f(a)\).

Lorsque seule la valeur absolue intervient, l’inégalité des accroissements finis permet d’écrire directement :

\[ |f(b)-f(a)|\leq M|b-a|. \]
1)

Soient \(a\) et \(b\) deux réels tels que :

\[ 0\lt a\lt b\lt\frac{\pi}{2}. \]

Montrer que :

\[ \frac{b-a}{\cos^2a} \lt \tan b-\tan a \lt \frac{b-a}{\cos^2b}. \]
Méthode. On applique le TAF à la fonction tangente sur \([a,b]\). Comme sa dérivée \(\frac1{\cos^2x}\) est strictement croissante sur \(]0,\frac\pi2[\), la position \(a\lt c\lt b\) donnera immédiatement l’encadrement voulu.
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(f(x)=\tan x\) est continue sur \([a;b]\) et dérivable sur \(]a;b[\).

D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]a;b[\) tel que :

\[ \tan b-\tan a = (b-a)\frac{1}{\cos^2c}. \]

Sur \(]0;\frac{\pi}{2}[\), la fonction \(x\mapsto\frac{1}{\cos^2x}\) est strictement croissante. Comme \(a\lt c\lt b\) :

\[ \frac{1}{\cos^2a} \lt \frac{1}{\cos^2c} \lt \frac{1}{\cos^2b}. \]

En multipliant par \(b-a\gt0\) :

\[ \boxed{ \frac{b-a}{\cos^2a} \lt \tan b-\tan a \lt \frac{b-a}{\cos^2b}.} \]
Le TAF produit la dérivée en un point intermédiaire ; la monotonie de cette dérivée permet ensuite de la comparer à ses valeurs aux extrémités.
2)

Soit \(f\) la fonction définie sur \(]-\infty;\frac53]\) par :

\[ f(x)=\sqrt[3]{5-3x}+x-2. \]

Montrer que, pour tous \(a,b\in]-1;\frac43[\) :

\[ |f(b)-f(a)| \lt \frac34|b-a|. \]
Méthode. Il faut d’abord obtenir une borne uniforme de \(|f'(x)|\) sur \(]-1,\frac43[\). L’encadrement de \(5-3x\) fournit un encadrement de la racine cubique, puis de la dérivée.
Afficher la correction Masquer la correction

Pour \(x\in]-1;\frac43[\), on a :

\[ 1\lt5-3x\lt8. \]

La fonction \(f\) est dérivable sur cet intervalle et :

\[ f'(x) = 1-\frac{1}{\left(\sqrt[3]{5-3x}\right)^2}. \]

Comme :

\[ 1\lt\sqrt[3]{5-3x}\lt2, \]

on obtient :

\[ \frac14 \lt \frac{1}{\left(\sqrt[3]{5-3x}\right)^2} \lt 1. \]

Donc :

\[ 0\lt f'(x)\lt\frac34. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ \boxed{ |f(b)-f(a)| \lt \frac34|b-a|.} \]
La dérivée reste strictement comprise entre \(0\) et \(\frac34\) sur tout l’intervalle considéré, ce qui fournit directement le facteur \(\frac34\).
3)

Soit \(g\) la fonction définie par :

\[ g(x)=x\operatorname{Arctan}x. \]

Montrer que :

\[ \forall(a,b)\in\mathbb{R}^2, \qquad |g(b)-g(a)|\leq3|b-a|. \]
Méthode. On calcule \(g'\), puis on majore séparément les deux termes \(\operatorname{Arctan}x\) et \(\frac{x}{1+x^2}\).
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(g\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), et :

\[ g'(x) = \operatorname{Arctan}x + \frac{x}{1+x^2}. \]

Pour tout \(x\in\mathbb{R}\) :

\[ |\operatorname{Arctan}x| \lt \frac{\pi}{2} \lt 2. \]

D’autre part, puisque \((|x|-1)^2\geq0\), on a \(2|x|\leq1+x^2\), donc :

\[ \left|\frac{x}{1+x^2}\right| \leq \frac12 \lt 1. \]

Par conséquent :

\[ |g'(x)|\lt3. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ \boxed{ |g(b)-g(a)| \leq 3|b-a|.} \]
La majoration choisie n’a pas besoin d’être optimale : il suffit ici d’obtenir une borne globale simple de la dérivée.
4)

Établir l’inégalité suivante :

\[ \forall(a,b)\in\mathbb{R}^2, \qquad |\operatorname{Arctan}a-\operatorname{Arctan}b| \leq |b-a|. \]
Méthode. La dérivée de la fonction Arctangente est comprise entre \(0\) et \(1\) sur tout \(\mathbb R\). L’inégalité des accroissements finis s’applique donc directement.
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(h(x)=\operatorname{Arctan}x\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), et :

\[ h'(x)=\frac{1}{1+x^2}. \]

Pour tout \(x\in\mathbb{R}\) :

\[ |h'(x)|\leq1. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ \boxed{ |\operatorname{Arctan}a-\operatorname{Arctan}b| \leq |b-a|.} \]
La constante \(1\) provient directement de la borne supérieure de la dérivée de la fonction Arctangente.

Exercice 46 — Encadrements trigonométriques

Repère de cours — Estimer une valeur grâce au TAF

Le TAF permet de comparer une valeur difficile à une valeur remarquable voisine. Lorsque l’on connaît par exemple \(\sin45^\circ\) ou \(\sin90^\circ\), on peut contrôler l’écart avec une autre valeur du sinus à partir d’une borne sur le cosinus.

En utilisant le théorème des accroissements finis, établir les inégalités suivantes :

\[ \frac{\sqrt2}{2} \lt \sin50^\circ \lt \frac{\sqrt2}{2}+\frac{\pi}{36}, \] \[ |\sin80^\circ-1| \leq \frac{\pi}{36}. \]
Méthode. Pour la première estimation, on compare \(50^\circ\) à \(45^\circ\). Pour la seconde, on compare \(80^\circ\) à \(90^\circ\). Dans les deux cas, la dérivée du sinus est le cosinus.
Afficher la correction Masquer la correction

On a :

\[ 45^\circ=\frac{\pi}{4}, \qquad 50^\circ=\frac{5\pi}{18}, \qquad 50^\circ-45^\circ=\frac{\pi}{36}. \]

La fonction sinus est continue sur \([\frac{\pi}{4};\frac{5\pi}{18}]\) et dérivable sur l’intervalle ouvert correspondant. D’après le théorème des accroissements finis, il existe :

\[ c\in \left]\frac{\pi}{4};\frac{5\pi}{18}\right[ \]

tel que :

\[ \sin50^\circ-\sin45^\circ = \frac{\pi}{36}\cos c. \]

Comme \(0\lt\cos c\lt1\) :

\[ 0 \lt \sin50^\circ-\frac{\sqrt2}{2} \lt \frac{\pi}{36}. \]
\[ \boxed{ \frac{\sqrt2}{2} \lt \sin50^\circ \lt \frac{\sqrt2}{2}+\frac{\pi}{36}.} \]

D’autre part :

\[ 80^\circ=\frac{4\pi}{9}, \qquad 90^\circ=\frac{\pi}{2}, \qquad 90^\circ-80^\circ=\frac{\pi}{18}. \]

Pour tout \(x\in[\frac{4\pi}{9};\frac{\pi}{2}]\), on a \(0\leq\cos x\leq\cos80^\circ\). Comme \(80^\circ\gt60^\circ\), on a :

\[ \cos80^\circ \lt \cos60^\circ = \frac12. \]

D’après l’inégalité des accroissements finis :

\[ |\sin80^\circ-\sin90^\circ| \leq \frac12 \left| \frac{\pi}{2}-\frac{4\pi}{9} \right| = \frac{\pi}{36}. \]
\[ \boxed{ |\sin80^\circ-1| \leq \frac{\pi}{36}.} \]
Les valeurs remarquables \(45^\circ\) et \(90^\circ\) servent ici de points de référence. La dérivée permet de contrôler l’erreur commise lorsqu’on se déplace légèrement autour de ces angles.

Exercice 47 — Encadrement numérique d’une racine cubique

On considère la fonction \(f\) définie par :

\[ f(x)=\sqrt[3]{x}. \]
Repère de cours — Encadrer un accroissement

Pour obtenir une approximation sans calculatrice d’une valeur comme \(\sqrt[3]{1001}\), on peut comparer \(f(1001)\) à la valeur exacte \(f(1000)=10\). L’encadrement de \(f'\) sur \([1000,1001]\) donne alors, par le TAF, un encadrement de l’accroissement \(f(1001)-f(1000)\).

1)

Montrer que, pour tout \(x\in[1000;1001]\) :

\[ \frac{1}{3(10{,}1)^2} \leq f'(x) \leq \frac{1}{3\times10^2}. \]
Méthode. On part de la formule de \(f'\), puis on encadre \(\sqrt[3]x\) entre \(\sqrt[3]{1000}\) et une valeur simple légèrement supérieure à \(\sqrt[3]{1001}\).
Afficher la correction Masquer la correction

Pour tout \(x\in[1000;1001]\) :

\[ f'(x) = \frac{1}{3\left(\sqrt[3]{x}\right)^2}. \]

Or :

\[ 10 = \sqrt[3]{1000} \leq \sqrt[3]{x} \leq \sqrt[3]{1001} \lt 10{,}1, \]

car :

\[ (10{,}1)^3=1030{,}301\gt1001. \]

En élevant au carré, puis en passant aux inverses :

\[ \boxed{ \frac{1}{3(10{,}1)^2} \leq f'(x) \leq \frac{1}{3\times10^2}.} \]
La dérivée décroît lorsque \(\sqrt[3]x\) augmente. L’encadrement de la racine cubique produit donc directement l’encadrement de \(f'(x)\).
2)

En déduire que :

\[ 10{,}0032 \lt \sqrt[3]{1001} \lt 10{,}0034. \]
Méthode. On applique maintenant le TAF entre \(1000\) et \(1001\). Comme la différence des abscisses vaut \(1\), l’accroissement de la fonction est directement égal à \(f'(c)\).
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(f\) est continue sur \([1000;1001]\) et dérivable sur \(]1000;1001[\).

D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]1000;1001[\) tel que :

\[ \sqrt[3]{1001}-\sqrt[3]{1000} = f'(c)(1001-1000). \]

Comme \(\sqrt[3]{1000}=10\), l’encadrement précédent donne :

\[ \frac{1}{3(10{,}1)^2} \leq \sqrt[3]{1001}-10 \leq \frac{1}{300}. \]

Or :

\[ \frac{1}{3(10{,}1)^2} \gt 0{,}0032 \qquad\text{et}\qquad \frac{1}{300} \lt 0{,}0034. \]
\[ \boxed{ 10{,}0032 \lt \sqrt[3]{1001} \lt 10{,}0034.} \]
Le TAF permet ici d’obtenir une approximation précise de \(\sqrt[3]{1001}\) à partir de la valeur exacte \(\sqrt[3]{1000}=10\).

Exercice 48 — Fonction auxiliaire et théorème de Rolle

Repère de cours — Faire apparaître la relation recherchée

Lorsque la conclusion demandée contient à la fois \(f'(c)\) et une expression connue, on peut construire une fonction auxiliaire dont la dérivée est précisément la différence des deux membres. Si cette fonction prend la même valeur aux extrémités, le théorème de Rolle fournit alors le point recherché.

Soit \(f\) une fonction continue sur \([0;1]\) et dérivable sur \(]0;1[\), telle que :

\[ f(0)=0 \qquad\text{et}\qquad f(1)=1. \]

Montrer qu’il existe au moins un réel \(c\in]0;1[\) tel que :

\[ f'(c)=\frac{1}{2\sqrt c}. \]
Méthode. Le terme \(\frac1{2\sqrt c}\) est la dérivée de \(\sqrt x\). On considère donc naturellement la différence \(g(x)=f(x)-\sqrt x\), puis on vérifie les conditions de Rolle.
Afficher la correction Masquer la correction

Considérons la fonction :

\[ g(x)=f(x)-\sqrt{x}. \]

La fonction \(g\) est continue sur \([0;1]\) et dérivable sur \(]0;1[\). De plus :

\[ g(0)=f(0)-0=0 \] \[ g(1)=f(1)-1=0. \]

D’après le théorème de Rolle, il existe \(c\in]0;1[\) tel que :

\[ g'(c)=0. \]

Or :

\[ g'(x) = f'(x)-\frac{1}{2\sqrt{x}}. \]

Donc :

\[ \boxed{ \exists c\in]0;1[ \quad\text{tel que}\quad f'(c)=\frac{1}{2\sqrt c}.} \]
La fonction auxiliaire a été choisie de façon à ce que l’égalité \(g'(c)=0\) soit exactement équivalente à la relation demandée.

Exercice 49 — TAF et divergence d’une suite

Soit \(f\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}_{+}^{*}\) par :

\[ f(t)=\sqrt t. \]
Repère de cours — De l’accroissement à une somme télescopique

Le TAF fournit ici un encadrement de \(\sqrt{x+1}-\sqrt x\). Lorsqu’on remplace ensuite \(x\) par un entier \(k\) et qu’on somme les inégalités obtenues, les différences successives de racines se simplifient : on obtient une somme télescopique.

1-a)

Soit \(x\) un réel strictement positif. Montrer que, pour tout \(t\in[x;x+1]\) :

\[ \frac{1}{2\sqrt{x+1}} \leq f'(t) \leq \frac{1}{2\sqrt{x}}. \]
Méthode. On utilise la croissance de la fonction racine carrée puis le passage aux inverses pour encadrer directement \(f'(t)\).
Afficher la correction Masquer la correction

Pour tout \(t\in[x;x+1]\) :

\[ f'(t)=\frac{1}{2\sqrt t}. \]

Comme \(x\leq t\leq x+1\), on a :

\[ \sqrt x\leq\sqrt t\leq\sqrt{x+1}. \]

En passant aux inverses :

\[ \boxed{ \frac{1}{2\sqrt{x+1}} \leq f'(t) \leq \frac{1}{2\sqrt{x}}.} \]
Plus \(t\) augmente, plus \(\sqrt t\) augmente et plus son inverse diminue. C’est ce changement de sens qui produit l’encadrement de la dérivée.
1-b)

En déduire que, pour tout \(x\in\mathbb{R}_{+}^{*}\) :

\[ \frac{1}{2\sqrt{x+1}} \leq \sqrt{x+1}-\sqrt x \leq \frac{1}{2\sqrt x}. \]
Méthode. Le TAF entre \(x\) et \(x+1\) donne un point \(c\) tel que la différence des racines est égale à \(f'(c)\). L’encadrement précédent s’applique alors à ce point \(c\).
Afficher la correction Masquer la correction

La fonction \(f\) est continue sur \([x;x+1]\) et dérivable sur \(]x;x+1[\).

D’après le théorème des accroissements finis, il existe \(c\in]x;x+1[\) tel que :

\[ \sqrt{x+1}-\sqrt x = f'(c)(x+1-x) = f'(c). \]

En appliquant l’encadrement de la question précédente à \(t=c\) :

\[ \boxed{ \frac{1}{2\sqrt{x+1}} \leq \sqrt{x+1}-\sqrt x \leq \frac{1}{2\sqrt x}.} \]
La longueur du segment vaut \(1\), ce qui explique pourquoi l’accroissement de \(f\) est ici exactement égal à une valeur de sa dérivée.
2)

On considère la suite numérique \((u_n)_{n\geq1}\) définie par :

\[ u_n = 1+\frac{1}{\sqrt2} +\frac{1}{\sqrt3} +\cdots +\frac{1}{\sqrt n}. \]

Montrer que la suite \((u_n)\) est divergente.

Méthode. L’inégalité précédente permet de minorer chaque terme \(\frac1{\sqrt k}\) par une différence de deux racines consécutives. En sommant ces minorations, les termes intermédiaires se simplifient.
Afficher la correction Masquer la correction

D’après la question précédente, pour tout entier \(k\geq1\) :

\[ \sqrt{k+1}-\sqrt k \leq \frac{1}{2\sqrt k}. \]

Donc :

\[ \frac{1}{\sqrt k} \geq 2(\sqrt{k+1}-\sqrt k). \]

En sommant de \(k=1\) à \(k=n\), on obtient :

\[ u_n = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\sqrt k} \geq 2\sum_{k=1}^{n} (\sqrt{k+1}-\sqrt k). \]

La somme du membre de droite est télescopique :

\[ u_n \geq 2(\sqrt{n+1}-1). \]

Or :

\[ \lim_{n\to+\infty} 2(\sqrt{n+1}-1) = +\infty. \]
\[ \boxed{ \lim_{n\to+\infty}u_n=+\infty.} \] La suite \((u_n)\) est donc divergente.
La minoration obtenue tend elle-même vers \(+\infty\). Elle force donc \(u_n\) à devenir arbitrairement grand.

Exercice 50 — Fonction auxiliaire et théorème de Rolle

Repère de cours — Continuité de la fonction auxiliaire

Pour appliquer Rolle à une fonction auxiliaire définie par morceaux ou par un quotient, il ne suffit pas de calculer sa dérivée sur l’intervalle ouvert. Il faut d’abord vérifier sa continuité aux extrémités du segment.

Ici, la valeur choisie \(g(a)=0\) doit coïncider avec la limite à droite de \(\frac{f(x)}{x-a}\). Cette vérification dépend directement des hypothèses sur \(f\) au point \(a\).

Soit \(f\) une fonction continue sur un segment \([a;b]\) et dérivable sur \([a;b[\), telle que :

\[ f(b)=0 \qquad\text{et}\qquad f'_d(a)=0. \]
Correction locale certaine de l’énoncé.
Le manuel a omis la condition \[ f(a)=0. \] Cette condition est indispensable pour que la fonction \(g\) définie ci-dessous soit continue en \(a\) et pour que la conclusion demandée soit vraie.

On travaille donc avec les conditions corrigées :

\[ f(a)=f(b)=0 \qquad\text{et}\qquad f'_d(a)=0. \]

On considère la fonction \(g\) définie sur \([a;b]\) par :

\[ g(x)=\frac{f(x)}{x-a} \quad\text{si }x\neq a, \qquad g(a)=0. \]

Montrer qu’il existe \(c\in]a;b[\) tel que :

\[ \frac{f(c)}{c-a}=f'(c). \]
Méthode. La relation demandée équivaut à l’annulation d’une expression qui apparaît dans la dérivée de \(g\). La stratégie consiste donc à montrer que \(g\) vérifie les conditions de Rolle sur \([a,b]\), en vérifiant soigneusement la continuité en \(a\).
Afficher la correction Masquer la correction

Pour \(x\neq a\) :

\[ g(x)=\frac{f(x)}{x-a}. \]

Comme \(f(a)=0\), on peut écrire :

\[ g(x) = \frac{f(x)-f(a)}{x-a}. \]

Ainsi :

\[ \lim_{x\to a^+}g(x) = f'_d(a) = 0 = g(a). \]

La fonction \(g\) est donc continue en \(a\). Elle est également continue sur \(]a;b]\), donc continue sur \([a;b]\).

Pour tout \(x\in]a;b[\), la fonction \(g\) est dérivable et :

\[ g'(x) = \frac{f'(x)(x-a)-f(x)} {(x-a)^2}. \]

De plus :

\[ g(a)=0 \]

et, puisque \(f(b)=0\) :

\[ g(b)=\frac{f(b)}{b-a}=0. \]

Les conditions du théorème de Rolle sont donc vérifiées pour \(g\) sur \([a;b]\). Il existe alors \(c\in]a;b[\) tel que :

\[ g'(c)=0. \]

Par conséquent :

\[ \frac{f'(c)(c-a)-f(c)} {(c-a)^2} = 0. \]

Comme \(c\neq a\) :

\[ f'(c)(c-a)-f(c)=0. \]
\[ \boxed{ \frac{f(c)}{c-a}=f'(c).} \]
La construction de \(g\) transforme la relation cherchée en l’égalité \(g'(c)=0\). Le rôle de la condition \(f(a)=0\) est essentiel : elle permet à la valeur \(g(a)=0\) d’être compatible avec la limite de \(g(x)\) lorsque \(x\to a^+\).
À retenir.

Le théorème des accroissements finis relie une différence de valeurs de la fonction à une valeur intermédiaire de sa dérivée. Dans les exercices d’encadrement, le travail essentiel consiste donc à contrôler cette dérivée : son signe, sa monotonie ou simplement sa valeur absolue. Lorsque \(|f'|\leq M\), l’inégalité des accroissements finis fournit directement \(|f(b)-f(a)|\leq M|b-a|\).

Ces résultats permettent aussi de construire des approximations numériques, comme pour \(\sqrt[3]{1001}\), ou de transformer un encadrement local en une information globale sur une suite, grâce à une sommation télescopique. Enfin, les exercices 48 et 50 rappellent qu’une fonction auxiliaire bien choisie peut ramener une relation compliquée à une application du théorème de Rolle. Dans tous les cas, la vérification des conditions de continuité et de dérivabilité doit précéder l’utilisation du théorème.

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)
Lycée Oum Erbiaâ — M’rirt

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