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Correction du Devoir 3 de Calcul intégral

Correction du Devoir 3 de Calcul intégral

Al Moufid - 2e Bac Sciences Mathématiques - Limite fondamentale sans développement limité et fonction définie par une intégrale

Les limites sont établies sans développement limité ni règle de L'Hôpital, uniquement à l'aide d'encadrements, d'intégrations par parties et des résultats du cours.

Première partie

Question 1

Calculer :

\[ \lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x} \]

et en déduire que :

\[ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)} =0. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

Pour \(x\neq0\), on écrit :

\[ \frac{e^x-1-x}{x} = \frac{e^x-1}{x}-1. \]

La fonction exponentielle est dérivable en \(0\), avec :

\[ \lim_{x\to0}\frac{e^x-e^0}{x-0} =e^0=1. \]

Par conséquent :

\[ \lim_{x\to0}\frac{e^x-1}{x}=1, \]

d'où :

\[ \boxed{ \lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x}=0 }. \]

Pour déduire la seconde limite, on écrit, pour \(x\neq0\) et \(x>-1\) :

\[ \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)} = \frac{e^x-1-x}{x} \times \frac{x}{\ln(1+x)}. \]

Or :

\[ \lim_{x\to0}\frac{x}{\ln(1+x)}=1. \]

Le premier facteur tend vers \(0\) et le second vers \(1\). Ainsi :

\[ \boxed{ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)} =0 }. \]
Définition utilisée dans la question 2

Pour tout réel \(x\), on pose :

\[ I(x)= e^x\int_0^x\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt. \]
Question 2.a

Sans calculer \(I(x)\), montrer que :

\[ (\forall x\in\mathbb R_+) \qquad 0\leq I(x)\leq e^x\frac{x^3}{6}, \]

et :

\[ (\forall x\in\mathbb R_-) \qquad |I(x)|\leq\frac{|x|^3}{6}. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

Premier cas : \(x\in\mathbb R_+\).

Pour tout \(t\in[0;x]\), on a :

\[ \frac{t^2}{2}\geq0 \qquad\text{et}\qquad 0Il en résulte :

\[ 0 \leq \frac{t^2}{2}e^{-t} \leq \frac{t^2}{2}. \]

En intégrant entre \(0\) et \(x\) :

\[ 0 \leq \int_0^x\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt \leq \int_0^x\frac{t^2}{2}\,dt = \frac{x^3}{6}. \]

Comme \(e^x>0\), on obtient :

\[ \boxed{ 0\leq I(x)\leq e^x\frac{x^3}{6} }. \]

Deuxième cas : \(x\in\mathbb R_-\).

Comme \(x\leq0\), on a :

\[ \int_0^x\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt = -\int_x^0\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt. \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} |I(x)| &= e^x\int_x^0\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt\\ &= \int_x^0\frac{t^2}{2}e^{x-t}\,dt. \end{aligned} \]

Pour \(t\in[x;0]\), on a \(x-t\leq0\), donc :

\[ 0Ainsi :

\[ \begin{aligned} |I(x)| &\leq \int_x^0\frac{t^2}{2}\,dt\\ &= \left[\frac{t^3}{6}\right]_x^0\\ &= -\frac{x^3}{6}. \end{aligned} \]

Comme \(x\leq0\), on a \(-x^3=|x|^3\). Finalement :

\[ \boxed{ |I(x)|\leq\frac{|x|^3}{6} }. \]
Question 2.b

En utilisant deux fois l'intégration par parties, montrer que :

\[ I(x)=e^x-1-x-\frac{x^2}{2}. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

Posons :

\[ A(x)= \int_0^x\frac{t^2}{2}e^{-t}\,dt. \]

Effectuons une première intégration par parties avec :

\[ u(t)=\frac{t^2}{2}, \qquad u'(t)=t, \qquad v'(t)=e^{-t}, \qquad v(t)=-e^{-t}. \]

On obtient :

\[ \begin{aligned} A(x) &= \left[-\frac{t^2}{2}e^{-t}\right]_0^x +\int_0^xte^{-t}\,dt\\ &= -\frac{x^2}{2}e^{-x} +\int_0^xte^{-t}\,dt. \end{aligned} \]

Calculons la dernière intégrale par une deuxième intégration par parties, avec :

\[ u(t)=t, \qquad u'(t)=1, \qquad v'(t)=e^{-t}, \qquad v(t)=-e^{-t}. \]

Ainsi :

\[ \begin{aligned} \int_0^xte^{-t}\,dt &= \left[-te^{-t}\right]_0^x +\int_0^xe^{-t}\,dt\\ &= -xe^{-x} +\left[-e^{-t}\right]_0^x\\ &= -xe^{-x}+1-e^{-x}. \end{aligned} \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A(x) &= -\frac{x^2}{2}e^{-x} -xe^{-x} +1-e^{-x}\\ &= 1-e^{-x} \left( 1+x+\frac{x^2}{2} \right). \end{aligned} \]

Comme \(I(x)=e^xA(x)\), il vient :

\[ \begin{aligned} I(x) &= e^x- \left( 1+x+\frac{x^2}{2} \right). \end{aligned} \]
\[ \boxed{ I(x)=e^x-1-x-\frac{x^2}{2} }. \]
Question 2.c

En utilisant ce qui précède, montrer que :

\[ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12, \]

et en déduire que :

\[ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x} {x\ln(1+x)} = \frac12. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

D'après la question précédente :

\[ e^x-1-x = \frac{x^2}{2}+I(x). \]

Pour \(x\neq0\) :

\[ \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12+\frac{I(x)}{x^2}. \]

Montrons que :

\[ \lim_{x\to0}\frac{I(x)}{x^2}=0. \]

Lorsque \(x\to0^+\) :

D'après la question 2.a :

\[ 0\leq I(x)\leq e^x\frac{x^3}{6}. \]

Donc :

\[ 0 \leq \frac{I(x)}{x^2} \leq e^x\frac{x}{6}. \]

Le membre de droite tend vers \(0\), donc :

\[ \lim_{x\to0^+}\frac{I(x)}{x^2}=0. \]

Lorsque \(x\to0^-\) :

D'après la question 2.a :

\[ |I(x)|\leq\frac{|x|^3}{6}. \]

Ainsi :

\[ \left| \frac{I(x)}{x^2} \right| \leq \frac{|x|}{6}. \]

Le membre de droite tend vers \(0\), donc :

\[ \lim_{x\to0^-}\frac{I(x)}{x^2}=0. \]

Les deux limites latérales sont égales. Par conséquent :

\[ \lim_{x\to0}\frac{I(x)}{x^2}=0. \]

On en déduit :

\[ \boxed{ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12 }. \]

Pour la seconde limite, on écrit :

\[ \frac{e^x-1-x} {x\ln(1+x)} = \frac{e^x-1-x}{x^2} \times \frac{x}{\ln(1+x)}. \]

Or :

\[ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12 \qquad\text{et}\qquad \lim_{x\to0} \frac{x}{\ln(1+x)} =1. \]
\[ \boxed{ \lim_{x\to0} \frac{e^x-1-x} {x\ln(1+x)} = \frac12 }. \]
Question 3

On considère la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb R_+^*\) par :

\[ f(x)=e^x\ln(1+x)-x. \]

Étudier les variations de la fonction \(f\) et en déduire que :

\[ f(x)\geq0 \qquad \text{pour tout }x\in\mathbb R_+^*. \]
On admet que : \[ (\forall x\in\mathbb R) \qquad e^x\geq1+x. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

La fonction \(f\) est dérivable sur \(]0;+\infty[\). Pour tout \(x>0\) :

\[ \begin{aligned} f'(x) &= e^x\ln(1+x) +\frac{e^x}{1+x} -1\\ &= e^x\ln(1+x) + \frac{e^x-(1+x)}{1+x}. \end{aligned} \]

Pour \(x>0\), on a :

\[ \ln(1+x)>0 \qquad\text{et}\qquad e^x>0. \]

De plus, d'après l'inégalité admise :

\[ e^x-(1+x)\geq0. \]

Par conséquent :

\[ e^x\ln(1+x)>0 \qquad\text{et}\qquad \frac{e^x-(1+x)}{1+x}\geq0. \]

Ainsi :

\[ f'(x)>0 \qquad \text{pour tout }x>0. \]

La fonction \(f\) est donc strictement croissante sur \(]0;+\infty[\).

D'autre part :

\[ \lim_{x\to0^+}f(x) = e^0\ln1-0 =0. \]

Comme \(f\) est strictement croissante à partir de la limite \(0\), on obtient, pour tout \(x>0\) :

\[ f(x)>0. \]
\[ \boxed{ (\forall x\in\mathbb R_+^*) \qquad f(x)\geq0 }. \]

Deuxième partie

Définition de la fonction \(F\)

On considère la fonction \(F\) définie sur \(\mathbb R_+\) par :

\[ \begin{cases} F(0)=0,\\[4pt] \displaystyle F(x)= \int_{1+x}^{e^x}\frac{dt}{\ln t}, \qquad x>0. \end{cases} \]

Pour \(x>0\), l'inégalité \(e^x\geq1+x\) assure que les bornes sont placées dans le bon ordre. De plus :

\[ 1+x>1, \]

donc la fonction \(t\mapsto\dfrac1{\ln t}\) est continue sur le segment \([1+x;e^x]\). L'intégrale est ainsi bien définie.

Question 1

Montrer que, pour tout \(x\in\mathbb R_+^*\) :

\[ \frac{e^x-1-x}{x} \leq F(x) \leq \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)}. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

Soit \(x>0\). Pour tout \(t\in[1+x;e^x]\), la fonction logarithme étant croissante, on a :

\[ \ln(1+x) \leq \ln t \leq \ln(e^x)=x. \]

Les trois nombres sont strictement positifs. En prenant leurs inverses, le sens des inégalités est renversé :

\[ \frac1x \leq \frac1{\ln t} \leq \frac1{\ln(1+x)}. \]

En intégrant entre \(1+x\) et \(e^x\), on obtient :

\[ \int_{1+x}^{e^x}\frac{dt}{x} \leq \int_{1+x}^{e^x}\frac{dt}{\ln t} \leq \int_{1+x}^{e^x} \frac{dt}{\ln(1+x)}. \]

Les deux fonctions encadrantes sont constantes par rapport à \(t\). Ainsi :

\[ \frac{e^x-(1+x)}{x} \leq F(x) \leq \frac{e^x-(1+x)}{\ln(1+x)}. \]
\[ \boxed{ \frac{e^x-1-x}{x} \leq F(x) \leq \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)} }. \]
Question 2

Montrer que \(F\) est continue et dérivable à droite en zéro.

Lire la correction + Masquer la correction −

Continuité à droite en \(0\).

Pour \(x>0\), la question précédente donne :

\[ \frac{e^x-1-x}{x} \leq F(x) \leq \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)}. \]

D'après la question 1 de la première partie :

\[ \lim_{x\to0^+} \frac{e^x-1-x}{x} =0, \]

et :

\[ \lim_{x\to0^+} \frac{e^x-1-x}{\ln(1+x)} =0. \]

Le théorème d'encadrement donne donc :

\[ \lim_{x\to0^+}F(x)=0. \]

Comme \(F(0)=0\), on obtient :

\[ \lim_{x\to0^+}F(x)=F(0). \]

Ainsi, \(F\) est continue à droite en \(0\).

Dérivabilité à droite en \(0\).

Pour \(x>0\) :

\[ \frac{F(x)-F(0)}{x} = \frac{F(x)}{x}. \]

Comme \(x>0\), on peut diviser l'encadrement précédent par \(x\) sans changer le sens des inégalités :

\[ \frac{e^x-1-x}{x^2} \leq \frac{F(x)}{x} \leq \frac{e^x-1-x} {x\ln(1+x)}. \]

D'après la question 2.c de la première partie :

\[ \lim_{x\to0^+} \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12, \]

et :

\[ \lim_{x\to0^+} \frac{e^x-1-x} {x\ln(1+x)} = \frac12. \]

Le théorème d'encadrement donne :

\[ \lim_{x\to0^+} \frac{F(x)-F(0)}{x-0} = \frac12. \]
\[ \boxed{ F'_d(0)=\frac12 }. \]
Question 3

Montrer que \(F\) est dérivable sur \(\mathbb R_+^*\) et que, pour tout \(x\in\mathbb R_+^*\) :

\[ F'(x) = \frac{f(x)} {x\ln(1+x)}. \]
Lire la correction + Masquer la correction −

La fonction :

\[ \varphi(t)=\frac1{\ln t} \]

est continue sur \(]1;+\infty[\).

Les fonctions :

\[ a(x)=1+x \qquad\text{et}\qquad b(x)=e^x \]

sont dérivables sur \(]0;+\infty[\), avec :

\[ a'(x)=1 \qquad\text{et}\qquad b'(x)=e^x. \]

La dérivation d'une intégrale à bornes variables donne :

\[ F'(x) = \varphi(e^x)e^x - \varphi(1+x). \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} F'(x) &= \frac{e^x}{\ln(e^x)} - \frac1{\ln(1+x)}\\ &= \frac{e^x}{x} - \frac1{\ln(1+x)}. \end{aligned} \]

En réduisant au même dénominateur :

\[ \begin{aligned} F'(x) &= \frac{ e^x\ln(1+x)-x } {x\ln(1+x)}\\ &= \frac{f(x)} {x\ln(1+x)}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ (\forall x\in\mathbb R_+^*) \qquad F'(x) = \frac{f(x)} {x\ln(1+x)} }. \]
Question 4

Calculer :

\[ \lim_{x\to+\infty}F(x), \]

puis dresser le tableau de variations de la fonction \(F\).

Lire la correction + Masquer la correction −

Limite en \(+\infty\).

D'après l'encadrement obtenu dans la question 1 :

\[ F(x) \geq \frac{e^x-1-x}{x} = \frac{e^x}{x} -\frac1x -1. \]

Or :

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x} =+\infty. \]

Il en résulte :

\[ \lim_{x\to+\infty} \left( \frac{e^x}{x} -\frac1x -1 \right) =+\infty. \]

Par comparaison :

\[ \boxed{ \lim_{x\to+\infty}F(x)=+\infty }. \]

Sens de variation.

Pour \(x>0\), on a :

\[ x\ln(1+x)>0. \]

D'après la première partie :

\[ f(x)>0. \]

Par conséquent :

\[ F'(x) = \frac{f(x)} {x\ln(1+x)} >0. \]

La fonction \(F\) est donc strictement croissante sur \(]0;+\infty[\). Comme elle est continue à droite en \(0\), elle est strictement croissante sur \([0;+\infty[\).

\(x\) \(0\) \(]0;+\infty[\) \(+\infty\)
\(F'(x)\) \(F'_d(0)=\dfrac12\) +
\(F(x)\) \(0\) \(+\infty\)
Question 5

Étudier la branche infinie de la courbe \(\mathcal C_F\) de \(F\) au voisinage de \(+\infty\).

Lire la correction + Masquer la correction −

Nous savons déjà que :

\[ \lim_{x\to+\infty}F(x)=+\infty. \]

Étudions maintenant le quotient \(\dfrac{F(x)}x\).

Pour \(x>0\), l'encadrement de la question 1 donne :

\[ F(x) \geq \frac{e^x-1-x}{x}. \]

En divisant par \(x>0\) :

\[ \frac{F(x)}x \geq \frac{e^x-1-x}{x^2}. \]

Or :

\[ \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac{e^x}{x^2} -\frac1{x^2} -\frac1x. \]

Comme :

\[ \lim_{x\to+\infty}\frac{e^x}{x^2} =+\infty, \]

on obtient :

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{e^x-1-x}{x^2} =+\infty. \]

Par comparaison :

\[ \lim_{x\to+\infty} \frac{F(x)}x =+\infty. \]

Ainsi, lorsque \(x\to+\infty\) :

\[ F(x)\to+\infty \qquad\text{et}\qquad \frac{F(x)}x\to+\infty. \]
La courbe \(\mathcal C_F\) admet au voisinage de \(+\infty\) \[ \boxed{ \text{une branche parabolique de direction l'axe des ordonnées} }. \]
Méthode à retenir : lorsqu'une fonction définie par une intégrale possède des bornes qui tendent vers le même point, un encadrement précis de l'intégrande permet souvent d'établir simultanément la continuité, la dérivabilité au bord et la valeur de la dérivée.
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