Une intégrale peut dépendre d'un entier n : on obtient une suite. On peut souvent tout savoir d'elle sans calculer ses termes.
10.1 Sens de variation
Pour tout entier naturel n, on pose In=∫011+xxndx. On a I0=[ln(1+x)]01=ln2.
Sur [0;1], xn+1≤xn, donc 1+xxn+1≤1+xxn. On intègre : In+1≤In. La suite est décroissante.
De plus, 1+xxn≥0 sur [0;1], donc In≥0. La suite est décroissante et minorée par 0 : elle converge (chapitre 2).
10.2 Limite, par encadrement
Sur [0;1], 1+x≥1, donc 0≤1+xxn≤xn. On intègre :
0≤In≤∫01xndx=[n+1xn+1]01=n+11.
D'après le théorème des gendarmes, n→+∞limIn=0.
10.3 Relation de récurrence, par la linéarité
Par linéarité,
In+In+1=∫011+xxn+xn+1dx=∫011+xxn(1+x)dx=∫01xndx=n+11.
On calcule ainsi les termes de proche en proche : I1=1−I0=1−ln2, puis I2=21−I1=ln2−21, puis I3=31−I2=65−ln2.
10.4 Relation de récurrence, par parties
Pour tout entier naturel n, on pose Jn=∫01xnexdx.
Dans Jn+1, on pose u(x)=xn+1, u′(x)=(n+1)xn, v′(x)=ex, v(x)=ex :
Jn+1=[xn+1ex]01−(n+1)∫01xnexdx=e−(n+1)Jn.
Avec J0=e−1, on trouve J1=1, J2=e−2, J3=6−2e.
Sur [0;1], ex≤e, donc 0≤xnex≤exn, et par intégration 0≤Jn≤n+1e. Donc n→+∞limJn=0. La relation donne même (n+1)Jn=e−Jn+1, qui tend vers e : quand n est grand, Jn ressemble à ne.
10.5 La méthode
| Question |
Outil |
| Sens de variation |
Comparer les fonctions intégrées, ou étudier le signe de In+1−In |
| Limite |
Encadrer la fonction, intégrer, puis théorème des gendarmes |
| Relation de récurrence |
Linéarité, ou intégration par parties en faisant baisser le degré |