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Compléments sur la dérivation et la convexité

Epreuve d'enseignement de spécialité Centres étrangers 6 juin 2024 . Exercice 4. Dérivation & suites - Exercice 1

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Partie A.
On considère la fonction ff définie sur l'intervalle [0;+[\left[0 ;+\infty\right[ par f(x)=x+1f(x)=\sqrt{x+1}
On admet que cette fonction est dérivable sur ce même intervalle.
Question 1

Démontrer que la fonction ff est croissante sur l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[.

Correction
Dans les hypothèses, on admet que cette fonction est dérivable sur l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[.
  • (u)=u2u\left(\sqrt{u} \right)^{'} =\frac{u'}{2\sqrt{u} }
  • On reconnaît ici u\sqrt{u}u(x)=x+1u\left(x\right)=x+1. Ainsi u(x)=1u'\left(x\right)=1.
    Il en résulte que :
    f(x)=12x+1f'\left(x\right)=\frac{1}{2\sqrt{x+1} }

    Soit x[0;+[x\in[0 ;+\infty[, la fonction xx+1x\mapsto \sqrt{x+1} est alors à valeurs strictement positives.
    Le numérateur étant également strictement positif, il en résulte donc que pour tout réel x[0;+[x\in[0 ;+\infty[ , on a : f(x)0f'\left(x\right)\ge 0.
    La fonction ff est croissante sur l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[.
    Question 2

    Démontrer que pour tout nombre réel xx appartenant à l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[ : f(x)x=x2+x+1x+1+x.f(x)-x=\frac{-x^2+x+1}{\sqrt{x+1}+x} .

    Correction
    Soit x[0;+[x\in[0 ;+\infty[.
    f(x)x=x+1xf(x)-x=\sqrt{x+1}-x . Nous allons multiplier le numérateur et le dénominateur par le conjugué du dénominateur.
    f(x)x=(x+1x)×(x+1+x)x+1+xf(x)-x=\frac{(\sqrt{x+1}-x) \times(\sqrt{x+1}+x)}{\sqrt{x+1}+x} . On reconnait l'identité remarquable (ab)(a+b)=a2b2\left(a-b\right)\left(a+b\right)=a^2-b^2
    f(x)x=(x+1)2x2x+1+xf(x)-x=\frac{(\sqrt{x+1})^2-x^2}{\sqrt{x+1}+x}
    f(x)x=x+1x2x+1+xf(x)-x=\frac{x+1-x^2}{\sqrt{x+1}+x}
    Ainsi :
    f(x)x=x2+x+1x+1+xf(x)-x=\frac{-x^2+x+1}{\sqrt{x+1}+x}
    Question 3

    En déduire que sur l'intervalle [0[0; +[+\infty[ l'équation f(x)=xf(x)=x admet pour unique solution: =1+52\ell=\frac{1+\sqrt{5}}{2} .

    Correction
    Soit x[0;+[x\in[0 ;+\infty[.
    f(x)=xf(x)=x équivaut successivement à :
    f(x)x=0f(x)-x=0
    D'après la question 22, nous avons démontré que f(x)x=x2+x+1x+1+xf(x)-x=\frac{-x^2+x+1}{\sqrt{x+1}+x}
    Ainsi :
    x2+x+1x+1+x=0\frac{-x^2+x+1}{\sqrt{x+1}+x}=0
    Nous savons que x[0;+[x\in[0 ;+\infty[ et de ce fait le dénominateur x+1+x\sqrt{x+1}+x est strictement positif.
    • AB=0A=0\frac{A}{B} =0\Leftrightarrow A=0 et B0B\ne0.
    x2+x+1x+1+x=0\frac{-x^2+x+1}{\sqrt{x+1}+x}=0
    x2+x+1=0-x^2+x+1=0 et x+1+x0\sqrt{x+1}+x\ne 0
    Il nous fait résoudre x2+x+1=0-x^2+x+1=0.
    On reconnait un polynôme du second degré.
    Δ=124×(1)×1=5\Delta=1^2-4 \times(-1) \times 1=5
    On a donc deux racines réelles distinctes :
    x1=152=1+520x_1=\frac{-1-\sqrt{5}}{-2}=\frac{1+\sqrt{5}}{2} \geqslant 0 d'où : x1=1+520x_1=\frac{1+\sqrt{5}}{2} \geqslant 0
    x2=1+52<0x_2=\frac{-1+\sqrt{5}}{-2}<0 donc n'est pas solution de l'équation sur [0;+[[0 ;+\infty[
    L'équation f(x)=xf(x)=x admet donc une unique solution sur l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[ notée =1+52\ell=\frac{1+\sqrt{5}}{2} .
    Question 4
    Partie B.
    On considère la suite ( unu_n ) définie par u0=5u_0=5 et pour tout entier naturel nn, par un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right)ff est la fonction étudiée dans la partie A\mathbf{A}.
    On admet que la suite de terme général unu_n est bien définie pour tout entier naturel nn.

    Démontrer par récurrence que pour tout entier naturel nn, on a 1un+1un 1 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_n .

    Correction
    Pour tout entier naturel nn, posons la propriété Pn:1un+1unP_{n} : 1 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_n
    Etape d’initialisation\purple{\text{Etape d'initialisation}}
    On a :
    u0=5u_{0} =5
    u1=f(u0)=f(5)=5+1=6u_1=f\left(u_0\right)=f(5)=\sqrt{5+1}=\sqrt{6}.
    Ainsi : 1u1u01 \leqslant u_{1} \leqslant u_0 . La propriété P0P_{0} est vraie.
    Etape d’heˊreˊditeˊ\purple{\text{Etape d'hérédité}}
    On suppose qu'il existe un entier kk tel que la propriété PkP_{k} soit vraie c'est-à-dire : 1uk+1uk1 \leqslant u_{k+1} \leqslant u_k et vérifions si la propriété est également vraie au rang k+1k+1 c'est-à-dire : 1uk+2uk+11 \leqslant u_{k+2} \leqslant u_{k+1}
    Par hypothèse de récurrence,
    1uk+1uk1 \leqslant u_{k+1} \leqslant u_k , or f:xx+1f:x\mapsto \sqrt{x+1} une fonction croissante sur [0;+[\left[0;+\infty\right[ et donc croissante en particulier sur [1;+[\left[1;+\infty\right[. L'ordre est donc conservé , ainsi :
    f(1)f(uk+1)f(uk)f\left(1\right) \le f\left(u_{k+1}\right) \le f\left(u_{k}\right) . Comme f(x)=x+1f\left(x\right)=\sqrt{x+1} alors : f(uk)=uk+1f\left(u_{k} \right)=u_{k+1} et f(uk+1)=uk+2f\left(u_{k+1} \right)=u_{k+2} . Il vient alors que :
    f(1)uk+1uk+2f\left(1\right) \le u_{k+1} \le u_{k+2} .
    De plus : f(1)=2f\left(1\right)=\sqrt{2}
    Ainsi :
    12uk+1uk+2\red{1 \le}\sqrt{2} \le u_{k+1} \le u_{k+2}
    Finalement : 1uk+2uk+11 \leqslant u_{k+2} \leqslant u_{k+1}
    Ainsi la propriété Pk+1P_{k+1} est vraie.
    Conclusion\purple{\text{Conclusion}}
    Puisque la propriété P0P_{0} est vraie et que nous avons prouvé l'hérédité, on peut en déduire, par le principe de récurrence que pour tout entier naturel nn, on a PnP_{n} vraie, c'est à dire que pour tout entier naturel nn, 1un+1un 1 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_n .
    Question 5

    En déduire que la suite (un)\left(u_n\right) converge.

    Correction
    D'après la question 22 nos avons montré que pour tout entier naturel nn, on a 1un+1un 1 \leqslant u_{n+1} \leqslant u_n .
    Comme un+1unu_{n+1} \leqslant u_n cela signifie que la suite (un)\left(u_n\right) est décroissante.
    Comme 1un 1 \leqslant u_n cela signifie que la suite (un)\left(u_n\right) est minorée par 11.
    • Une suite décroissante et minorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
    • Une suite croissante et majorée est convergente, elle admet donc une limite finie.
    On vient de démontrer que la suite (un)\left(u_{n} \right) était minorée par 11 car : un1u_{n} \ge 1 . De plus, la suite (un)\left(u_{n} \right) est décroissante.
    D'après le théorème de convergence des suites monotones , on peut affirmer que la suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente et admet donc une limite que l'on note \ell 1\ell \ge 1
    Question 6

    Démontrer que la suite (un)\left(u_n\right) converge vers =1+52\ell=\frac{1+\sqrt{5}}{2}.

    Correction
  • La fonction ff est continue sur [0;+[\left[0;+\infty\right[ .
  • La suite (un)\left(u_{n} \right) est convergente et admet donc une limite que l'on note \ell .
  • un+1=f(un)u_{n+1}=f\left(u_n\right)
  • D'après le théorème du point fixe , \ell est une solution de l'équation f(x)=xf(x)=x
    D'après la question 33, l'équation f(x)=xf(x)=x admet donc une unique solution sur l'intervalle [0;+[[0 ;+\infty[ notée =1+52\ell=\frac{1+\sqrt{5}}{2} .