Intégrale de Wallis (intégration par partie)


  • perplexus

    Bonjour, je fais appel à vous car je sèche sur une question d’un DM (fort intéressant) sur les intégrales de Wallis.

    Voici l’énoncé :
    On définit l'intégrale InI_nIn , par ∫0π2\displaystyle\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}02π(sint)ndt(sin t)^n dt (sint)ndt, pour tout n supérieur ou égal à 2.
    Démontrer que :
    InI_nIn = n−1n\frac{n-1}{n}nn1In−2I_{n-2}In2

    J’ai commencé à intégré par partie et j’ai réussi à sortir (n−1)(n-1)(n1) mais je ne vois pas comment sortie un 1n\frac{1}{n}n1 ensuite.

    Pouvez vous m’aider, s’il vous plait ?


  • mtschoon

    @perplexus , bonjour,

    Comme je ne sais pas exactement ce que tu as fait, je t'indique une démarche globale.

    In=∫0π2(sint)ndt=∫0π2sint(sint)n−1dtI_n=\int_0^\dfrac{\pi}{2}(sint)^ndt=\int_0^\dfrac{\pi}{2}sint(sint)^{n-1}dtIn=02π(sint)ndt=02πsint(sint)n1dt

    Par IPP, en posant U(t)=(sint)n−1U(t)=(sint)^{n-1}U(t)=(sint)n1 et V′(t)=sintV'(t)=sintV(t)=sint

    In=[−cost(sint)n−1]0π2−∫0π2cost(n−1)(−cost(sint)n−2)dtI_n=[-cost(sint)^{n-1}]_0^\dfrac{\pi}{2}-\int_0^\dfrac{\pi}{2} cost(n-1)(-cost(sint)^{n-2})dtIn=[cost(sint)n1]02π02πcost(n1)(cost(sint)n2)dt

    Après calcul

    In=(n−1)∫0π2(sint)n−2(cost)2dtI_n=(n-1)\int_0^\dfrac{\pi}{2}(sint)^{n-2}(cost)^2dtIn=(n1)02π(sint)n2(cost)2dt

    Vu que (cost)2=1−(sint)2(cost)^2=1-(sint)^2(cost)2=1(sint)2 (c'est peut-être cela que tu n'as
    pa pensé à faire...?)

    In=(n−1)∫0π2(sint)n−2(1−(sint)2)dtI_n=(n-1)\int_0^\dfrac{\pi}{2}(sint)^{n-2}(1-(sint)^2)dtIn=(n1)02π(sint)n2(1(sint)2)dt

    En développant :

    In=(n−1))∫0π2(sint)n−2dt−(n−1)∫0π2(sint)ndtI_n=(n-1))\int_0^\dfrac{\pi}{2}(sint)^{n-2}dt-(n-1)\int_0^\dfrac{\pi}{2}(sint)^{n}dtIn=(n1))02π(sint)n2dt(n1)02π(sint)ndt

    In=(n−1))In−2−(n−1)InI_n=(n-1))I_{n-2}-(n-1)I_nIn=(n1))In2(n1)In

    En transposant

    nIn=(n−1)In−2nI_n=(n-1)I_{n-2}nIn=(n1)In2

    d'où : In=n−1nIn−2I_n=\dfrac{n-1}{n}I_{n-2}In=nn1In2

    CQFD


  • perplexus

    @mtschoon Merci beaucoup ! C’est ce que j’avais entamé, j’avais remplacé par 1−sint1-sin t1sint mais je m’était trompé dans le développement.


  • mtschoon

    De rien @perplexus .
    C'est parfait si tu as pu ainsi rectifier ton erreur.

    Bon DM !


  • perplexus

    Bonsoir ! J’ai avancé dans ce DM et j’ai attaqué la partie 2. Je cherche a avoir des conseils sur ma rédaction et ma démarche pour cette question :
    Prouver que pour n≥1n \geq 1n1 , et ∀x\forall xx de [0 , π2\frac{\pi}{2}2π], on a 0≤sin2n+1x≤sin2nx≤sin2n−1x0 \leq sin^{2n+1}x \leq sin^{2n}x \leq sin^{2n-1} x0sin2n+1xsin2nxsin2n1x.

    Je pose :
    0≤sinx≤10 \leq sin x \leq 10sinx1
    Je multiplie par sinxsin xsinx pour chaque membre :
    0≤sin2x≤sinx0 \leq sin^2x \leq sin x 0sin2xsinx
    Je rajoute un membre à droite suite à la première inégalité posée :
    0≤sin2x≤sinx≤10 \leq sin^2x \leq sin x \leq 10sin2xsinx1
    Je réitère le produit précédent :
    0≤sin3x≤sin2x≤sinx0 \leq sin^3x \leq sin^2x \leq sin x0sin3xsin2xsinx
    Je fini par multiplier chaque membre par sin2n−2xsin^{2n-2}x sin2n2x :
    D’où, 0≤sin2n+1x≤sin2nx≤sin2n−1x0 \leq sin^{2n+1}x \leq sin^{2n}x \leq sin^{2n-1} x0sin2n+1xsin2nxsin2n1x

    Es-ce trop détaillé ? Le vocabulaire est-il adéquat ? Le raisonnement est-il juste ?


  • mtschoon

    @perplexus bonsoir,

    Ta démarche me parait bonne. R.A.S.

    Si ton professeur est très rigoureux, tu peux préciser que tu ne changes pas le sens des inégalités en multipliant par sinxsinxsinx, sin2n−2xsin^{2n-2}xsin2n2x, vu que ces nombres sont positifs (au sens large) pour x∈[0,π2]x\in[0,\dfrac{\pi}{2}]x[0,2π]


  • perplexus

    Merci !
    Il me reste seulement une dernière question :
    Soit la suite (Un)∀n≥1(U_n) \forall {n \geq 1}(Un)n1 défini par Un=[1×3×5×…×(2n−1)1×2×4×…×2n]2(2n+1)U_n = [\frac {1\times 3 \times 5 \times… \times(2n-1)}{1 \times 2 \times 4 \times… \times 2n}]^2 (2n+1)Un=[1×2×4××2n1×3×5××(2n1)]2(2n+1) Déterminer la limite de cette suite.
    Sachant que avec les questions précédentes j’ai déterminé que : lim⁡n→∞I2nI2n+1=1\displaystyle \lim_{n\to\infty} \frac {I_{2n}}{I_{2n+1}} = 1nlimI2n+1I2n=1
    J’ai donc développé la suite (Un)(Un)(Un) et après quelques manipulations je suis arrivé sur :
    Un=I2n2(2n+1)Un = {I_{2n}}^2 (2_{n+1})Un=I2n2(2n+1).
    Il me semble que la question précédente doit me permettre de résoudre le problème mais je ne vois pas comment. Pouvez-vous m’aiguiller ?


  • mtschoon

    @perplexus , bonjour,

    J'ai un gros doute sur la formule de UnU_nUn que tu obtiens.

    Je viens de faire quelques calculs.

    Sauf erreur, Un=I2nI2n+1×2πU_n=\dfrac{I_{2n}}{I_{2n+1}}\times \dfrac{2}{\pi}Un=I2n+1I2n×π2

    Ainsi, connaisant la limite de I2nI2n+1\dfrac{I_{2n}}{I_{2n+1}}I2n+1I2n que tu as trouvée, tu pourras déduire la limite de UnU_nUn


  • mtschoon

    @perplexus , je te mets quelques indications possibles de calculs (si tu n'en as pas dans ton énoncé) , à vérifier.
    (Je ne mets pas tous les calculs).

    Tu peux commencer par calculer I0I_0I0 et I1I_1I1 car tu en auras besoin
    Tu dois trouver I0=π2I_0=\dfrac{\pi}{2}I0=2π et I1=1I_1=1I1=1.

    Tu explicites séparément I2nI_{2n}I2n et I2n+1I_{2n+1}I2n+1 en les tranformant pour pouvoir simplifier leur quotient et faire apparaître UnU_nUn
    (ce n'est pas simple, mais je n'ai pas trouvé mieux...)

    I2n=2n−12n×I2n−2I_{2n}=\dfrac{2n-1}{2n}\times I_{2n-2}I2n=2n2n1×I2n2

    I2n=2n−12n×2n−32n−2×I2n−4I_{2n}=\dfrac{2n-1}{2n}\times \dfrac{2n-3}{2n-2}\times I_{2n-4}I2n=2n2n1×2n22n3×I2n4

    Tu continues la démarche jusqu'à I0I_0I0

    Tu dois obtenir, sauf erreur,
    I2n=(2n−1)(2n−3)...(3)(1)(2n)(2n−2)...(2)×I0I_{2n}=\dfrac{(2n-1)(2n-3)...(3)(1)}{(2n)(2n-2)...(2)}\times I_0I2n=(2n)(2n2)...(2)(2n1)(2n3)...(3)(1)×I0
    I2n=(2n−1)(2n−3)...(3)(1)(2n)(2n−2)...(2)(1)×π2I_{2n}=\dfrac{(2n-1)(2n-3)...(3)(1)}{(2n)(2n-2)...(2)(1)}\times \dfrac{\pi}{2}I2n=(2n)(2n2)...(2)(1)(2n1)(2n3)...(3)(1)×2π

    Comme il te faut des carrés pour faire apparaître UnU_nUn, tu transformes en mettant le dénominateur au carré et en complétant le numérateur pour équilibrer

    Cela doit donner :
    I2n=(2n)(2n−1)(2n−2)...(3)(2)(1)[(2n)(2n−2)...(2)(1)]2×π2I_{2n}=\dfrac{(2n)(2n-1)(2n-2)...(3)(2)(1)}{[(2n)(2n-2)...(2)(1)]^2}\times \dfrac{\pi}{2}I2n=[(2n)(2n2)...(2)(1)]2(2n)(2n1)(2n2)...(3)(2)(1)×2π
    Tu peux l'écrire :
    I2n=(2n)![(2n)(2n−2)...(2)(1)]2×π2I_{2n}=\dfrac{(2n)!}{[(2n)(2n-2)...(2)(1)]^2}\times \dfrac{\pi}{2}I2n=[(2n)(2n2)...(2)(1)]2(2n)!×2π

    Tu pratiques de la même façon pour I2n+1I_{2n+1}I2n+1 et au final, tu dois obtenir, après simplification, l'expression de I2nI2n+1\dfrac{I_{2n}}{I_{2n+1}}I2n+1I2n :

    I2nI2n+1=Un×π2\dfrac{I_{2n}}{I_{2n+1}}=U_n\times \dfrac{\pi}{2}I2n+1I2n=Un×2π, d'où la réponse proposée pour UnU_nUn

    Vérifie tout ça.

    Une remarque : je trouve cela bien compliqué en Terminale .
    Evidemment, ce doit être un devoir à la maison où l'on prend le temps de chercher ...


  • perplexus

    Merci, je ne l’ai pas précisé mais les étapes que vous m’avez explicité on été traitées en amont dans la partie 1 (exprimer InI_nIn et In+1I_{n+1}In+1, calculer I0I_0I0 et I1I_1I1).
    J’ai fait le raisonnement de mon coté, et je trouve la même chose que vous à un détaille près :
    Un=I2nI2n+1×π2U_n = \frac{I_{2n}}{I_{2n+1}} \times \frac{\pi}{2}Un=I2n+1I2n×2π
    Je ne comprends pas pourquoi je vais revérifier.


  • perplexus

    Finalement j’ai compris pourquoi, j’avais oublié de passer le I0I_0I0 de l’autre côté en divisant.


  • mtschoon

    @perplexus, c'est bien si maintenant tu as vu ton erreur et que tout est clair.

    Si les étapes sont explicitées, cela est un DM abordable !

    J'étais fort surprise que l'énoncé te laisse te débrouiller seul en Terminale !