f(x)=exe2x+ef(x) = \frac{e^x}{e^{2x} + e}

1/a/ (xR)(\forall x\in\R), on a :

  • (1x)R(1-x)\in\R

f(1x)=(e1x)e2x1(e2(1x)+e)e2x1=exe+e2x=f(x)\begin{align*} f(1-x) &=\frac{(e^{1-x}){\color{red}e^{2x-1}}}{(e^{2(1-x)} + e){\color{red}e^{2x-1}}} \\ &=\frac{e^x}{e+e^{2x}}\\ &=f(x) \end{align*}

car e2x10\text{car }e^{2x-1}\ne0

1/b/

Rappel gg une fonction définie sur DgD_g et (Cg)(C_g) sa courbe représentative

La droite d’équation x=ax=a est un axe de symétrie de la courbe (Cg)(C_g) si

  • xDg : 2axDg\forall x\in D_g ~:~ 2a-x\in D_g
  • g(2ax)=g(x)g(2a-x)=g(x)

On a : f(2×12x)=f(x)f(2\times\frac12-x)=f(x)

Donc la droite d’équation x=12x=\frac12 est un axe de symétrie de la courbe (Γ)(\Gamma)

1/c/

limxf(x)=limxexe2x+e=0\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = \lim\limits_{x \to -\infty} \frac{e^x}{e^{2x} + e}=0

car limxex=0\lim\limits_{x \to -\infty} e^x=0

on pose t=1xt=1-x donc x=1tx=1-t

x+    tx\to+\infty \iff t\to-\infty
limx+f(x)=limtf(1t)=limtf(t)=0\begin{align*} \lim\limits_{x \to +\infty} f(x) &= \lim\limits_{t \to -\infty} f(1-t)\\ &=\lim\limits_{t \to -\infty} f(t)=0 \end{align*}

1/d/

I.G : la droite d’équation y=0y=0 (l’axe des abscisses) est une aymptote de (Γ)(\Gamma) au V\mathcal{V}_{-\infty} et au V+\mathcal{V}_{+\infty}

2/a/ la fonction ff est dérivable sur R\R par quotion de deux fonctions dérivables sur R\R

(xR)(\forall x\in\R) ;

f(x)=ex(e2x+e)ex.2e2x(e2x+e)2=exe2x+e×e2x+e2e2xe2x+e=f(x)(ee2x)e1(e+e2x)e1=f(x)1e2x11+e2x1\begin{align*} f'(x) &=\dfrac{e^x(e^{2x}+e)-e^x.2e^{2x}}{(e^{2x}+e)^2} \\ &=\frac{e^x}{e^{2x} + e} \times \frac{e^{2x}+e-2e^{2x}}{e^{2x} + e} \\ &=f(x)\frac{(e-e^{2x}){\color{red}e^{-1}}}{(e+e^{2x}){\color{red}e^{-1}}}\\ &=f(x)\dfrac{1-e^{2x-1}}{1+e^{2x-1}} \end{align*}

2/b/

(xR)(\forall x\in\R) : f(x)1+e2x1>0\dfrac{f(x)}{1+e^{2x-1}}>0

car : (XR) :eX>0\quad (\forall X\in\R)~:\quad e^X>0

f(x)=0    1e2x1=0    e2x1=1=e0    2x1=0    x=12\begin{align*} f'(x)=0 &\iff 1-e^{2x-1}=0\\ &\iff e^{2x-1}=1=e^0 \\ &\iff 2x-1=0 \\ &\iff x=\frac12 \end{align*}
x12    2x10    e2x1e0    1e2x10    f(x)0\begin{align*} x\ge \frac12 &\implies 2x-1\ge0 \\ &\implies e^{2x-1}\ge e^0\\ &\implies 1- e^{2x-1}\le 0 \\ &\implies f'(x)\le0 \end{align*}

car xexx\mapsto e^x est \nearrow

et

x12    f(x)0\begin{align*} x\le \frac12 &\implies f'(x)\ge0 \end{align*}

Alors la fonction ff est stric \nearrow sur ],12]]-\infty,\frac12] et stric \searrow sur [12,+[[\frac12,+\infty[


ff est continue sur R\R donc :

f(12)f(\frac12) est une valeur maximale de ff sur R\R c’est à dire

(xR) : f(x)f(12)(\forall x\in\R)~:~f(x)\le f(\frac12)
f(12)=e2ef(\frac12)=\frac{\sqrt e}{2e}

or e<e\sqrt e < e car e>1e>1 donc ee<1\frac{\sqrt e}{e}<1

et donc :

(xR) : f(x)<12(\forall x\in\R)~:~f(x)< \frac12

et on sait que (xR) : ex>0(\forall x\in\R)~:~e^x>0

donc (xR) :f(x)>0(\forall x\in\R)~:f(x)>0

conclusion :

(xR) : 0<f(x)<12(\forall x\in\R)~:~0<f(x)< \frac12

3/ \quad Tracé de (Γ)(\Gamma)

xy3211231(Γ)

4/a/ on a f(1x)=f(x)f(1-x)=f(x)

posons t=1xt=1-x donc x=1tx=1-t et dx=dtdx=-dt

  • x=0    t=1x=0 \implies t=1
  • x=12    t=12x=\frac12 \implies t=\frac12
012f(x)dx=112f(1t)(dt)=112f(t)dt=121f(x)dx\begin{align*} \int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx &= \int_1^{\frac{1}{2}} f(1-t)(-dt) \\&=- \int_1^{\frac{1}{2}} f(t)dt \\ \\ &=\int^1_{\frac{1}{2}} f(x)dx \end{align*}

4/b/

01f(x)dx=012f(x)dx+121f(x)dx=2012f(x)dx\begin{align*} \int_0^{1} f(x) dx&=\int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx+\int^1_{\frac{1}{2}} f(x) dx \\ &=2\int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx \end{align*}

5/a/

posons t=ext=e^x donc x=lntx=\ln t et dx=dttdx=\dfrac{dt}{t}

  • x=0    t=1x=0 \implies t=1
  • x=12    t=ex=\frac12 \implies t=\sqrt e
012f(x)dx=1ef(lnt)dtt=1edtt2+e\begin{align*} \int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx &=\int_1^{\sqrt e} f(\ln t) \dfrac{dt}{t} \\&=\int_1^{\sqrt e} \frac{dt}{t^2+e} \end{align*}

car f(lnt)=tt2+ef(\ln t)=\dfrac{t}{t^2+e}

5/b/

1edtt2+e=1e1e(te)(te)2+1dt=1e[arctan(te)]1e=1e[π4arctan(1e)]\begin{align*} \int_1^{\sqrt e} \frac{dt}{t^2+e}&= \int_1^{\sqrt e} \frac{1}{\sqrt e}\frac{\left(\frac{t}{\sqrt e}\right)'}{\left(\frac{t}{\sqrt e}\right)^2+1}dt \\ &=\frac{1}{\sqrt e}\left[ \arctan\left(\frac{t}{\sqrt e}\right)\right]_1^{\sqrt e} \\ \\&=\frac{1}{\sqrt e}\left[\frac\pi4-\arctan\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)\right] \end{align*}

Or

arctan(1e)=π2arctan(e)\arctan\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)=\frac\pi2-\arctan\left(\sqrt e\right)

Alors

1edtt2+e=1e[arctan(e)π4]\int_1^{\sqrt e} \frac{dt}{t^2+e}=\frac{1}{\sqrt{e}}\left[\arctan \left( \sqrt{e}\right) - \frac{\pi}{4} \right]

5/c

A=201f(x)dx cm2 \boxed{\mathcal{A}=2\int_0^{1} |f(x)|dx~cm^2}~
i.j=2cm2\|\vec{i}\|.\|\vec{j}\|=2cm^2

d’aprés 1/b/ on a f(x)>0f(x)>0, donc

f(x)=f(x)pour tout x[0,1]|f(x)| = f(x) \quad \text{pour tout } x \in [0, 1]
01f(x)dx=2012f(x)dx=2e[arctan(e)π4]\begin{align*} \int_0^{1} f(x)dx &=2\int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx \\&=\frac{2}{\sqrt{e}}\left[\arctan \left( \sqrt{e}\right) - \frac{\pi}{4} \right] \end{align*}

Alors

A=4e[arctan(e)π4] cm2\mathcal{A}=\frac{4}{\sqrt{e}}\left[\arctan \left( \sqrt{e}\right) - \frac{\pi}{4} \right]~cm^2

Partie II :

(nN)(\forall n \in \mathbb{N})

u0]0;12[etun+1=f(un)u_0 \in \left] 0; \frac{1}{2} \right[ \quad et \quad u_{n+1} = f(u_n)

1/ soit xRx\in\R

d’aprés la question I-2-2 on a :

f(x)=f(x)1e2x11+e2x1f'(x) = f(x) \dfrac{1 - e^{2x - 1}}{1 + e^{2x - 1}}

il est claire que :

f(x)1+e2x1>0 \dfrac{f(x)}{1 + e^{2x - 1}}>0

et on a :

1e2x11+e2x1     1e2x11+e2x1     1e2x11+e2x11     f(x)f(x)\begin{align*} &|1 - e^{2x - 1}|\le |1|+|e^{2x - 1}| \\~\\ &\implies|1 - e^{2x - 1}|\le 1+e^{2x - 1} \\~\\ &\implies\frac{|1 - e^{2x - 1}|}{1+e^{2x - 1}}\le 1 \\~\\ &\implies |f'(x)|\le f(x) \end{align*}

2/a Soit x[0,12]x\in\left[0,\frac12\right]

d’aprés la question I-2-a on a :

0<f(x)<120<f(x)<\frac12

et on a d’aprés la question précédente : f(x)f(x)f'(x)\le f(x)

donc

f(x)<12f'(x)<\frac12

montrons f(x)0f'(x)\ge0 pour tout x[0,12]x\in\left[0,\frac12\right]

le signe de f(x)f'(x) est le signe de 1e2x11-e^{2x-1}

x[0,12]    x12    2x10    e2x1e0=1    1e2x10\begin{align*} x\in\left[0,\frac12\right] &\implies x \le \frac12 \\ &\implies 2x-1 \le 0 \\ &\implies e^{2x-1}\le e^{0}=1 \\ &\implies 1- e^{2x-1}\ge 0 \end{align*}

et donc

(x[0,12]) : 0f(x)<12(\forall x\in\left[0,\frac12\right])~:~ 0\le f'(x)<\frac12

2/b/ la fonction gg est dérivable sur R\R

(xR) : g(x)=f(x)1(\forall x\in\R)~:~g'(x)=f'(x)-1

D’aprés la question II-1 on a :

(xR):f(x)f(x)(\forall x\in\R) : f'(x)\le f(x)

et d’aprés la question I-2-b

(xR):f(x)12(\forall x\in\R) : f(x)\le \frac12
    (xR):f(x)12\implies (\forall x\in\R) : f'(x)\le \frac12
    (xR):g(x)121\implies (\forall x\in\R) : g'(x)\le \frac12-1
    (xR):g(x)12<0\implies (\forall x\in\R) : g'(x)\le -\frac12<0

Alors gg stric \searrow sur R\R

2/c/

on a :

  • gg continue sur [0,12][0,\frac12] car dérivable

  • g(12)=12e12=1e2e<0g(\frac12)=\frac{1}{2\sqrt e}-\frac12=\frac{1-\sqrt e}{2\sqrt e}<0

    car e>11e<0e>1 \Rightarrow 1-\sqrt e<0

  • g(0)=11+e>0g(0)=\frac{1}{1+e}>0

donc d’aprés le théorème des valeurs intermédiaires, l’équation g(x)=0g(x)=0 admet au moins une solution α]0,12[\alpha\in]0,\frac12[

et puisque gg est stric \searrow sur R\R alors α\alpha est unique

g(α)=0    f(α)=αg(\alpha)=0 \iff f(\alpha)=\alpha

3/a/ \quad par récurrence :

  • u0]0,12[u_0\in]0,\frac12[ vraie pour n=0n=0

  • soit nNn\in\N tel que un]0,12[u_n\in]0,\frac12[

    on a d’aprés la question I-2-b

    (xR);0<f(x)<12(\forall x \in \mathbb{R}) \quad ; \quad 0 < f(x) < \frac{1}{2}

    or un]0,12[u_n\in]0,\frac12[ donc unRu_n\in\R

    et donc 0<f(un)<120 < f(u_n) < \frac{1}{2}

    c’est à dire : 0<un+1<12\quad 0 < u_{n+1} < \frac{1}{2}

  • D’aprés le principe de récurrence on a :

(nN) : 0<un<12(\forall n\in\N)~:~0 < u_n < \frac{1}{2}

3/b/

On a :

un+1α=f(un)f(α)|u_{n+1} - \alpha| = |f(u_n) - f(\alpha)|

On applique le théorème des accroissements finis à la fonction ff, qui est dérivable sur R\mathbb{R}, donc en particulier sur l’intervalle fermé entre unu_n et α\alpha (rappelons que d’après la question II.3.a, on a toujours un]0;12[u_n \in \left] 0 ; \frac{1}{2} \right[).

Donc, il existe c]min(un,α);max(un,α)[]0;12[c \in \left] \min(u_n,\alpha) ; \max(u_n,\alpha) \right[ \subset \left] 0 ; \frac{1}{2} \right[ tel que :

f(un)f(α)=f(c)(unα)f(un)f(α)=f(c)unα\begin{align*} f(u_n) - f(\alpha) = f'(c)(u_n - \alpha) \quad \\ \Rightarrow |f(u_n) - f(\alpha)| = |f'(c)| \cdot |u_n - \alpha| \end{align*}

Or d’après la question II.2-a), on a x[0;12],0f(x)<12\forall x \in \left[ 0 ; \frac{1}{2} \right],\quad 0 \leq f'(x) < \frac{1}{2}

Donc :

f(c)<12f(un)f(α)<12unα\begin{align*} |&f'(c)| < \frac{1}{2} \quad \\ &\Rightarrow \quad |f(u_{n}) - f(\alpha)| < \frac{1}{2} |u_n - \alpha| \end{align*}

Et donc :

nN,un+1α12unα\boxed{\forall n \in \mathbb{N},\quad |u_{n+1} - \alpha| \leq \frac{1}{2} |u_n - \alpha|}

3/c \quad par récurrence :

nN,unα(12)n+1\forall n \in \mathbb{N}, \quad |u_n - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{n+1}
  • Initialisation (pour n=0n = 0) :

    On sait que u0]0;12[u_0 \in \left] 0 ; \frac{1}{2} \right[ et que α]0;12[\alpha \in \left] 0 ; \frac{1}{2} \right[.
    Donc u0α12|u_0 - \alpha| \leq \dfrac{1}{2}

    Or :

    (12)0+1=12\left( \frac{1}{2} \right)^{0 + 1} = \frac{1}{2}

    Donc :

    u0α(12)1|u_0 - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{1}
  • Hérédité : Supposons que pour un certain nNn \in \mathbb{N}, on ait :

    unα(12)n+1|u_n - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{n+1}

    Montrons que :

    un+1α(12)n+2|u_{n+1} - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{n+2}

    D’après la question II.3-b, on a :

    un+1α12unα|u_{n+1} - \alpha| \leq \frac{1}{2} |u_n - \alpha|

    Donc :

    un+1α12(12)n+1=(12)n+2|u_{n+1} - \alpha| \leq \frac{1}{2} \cdot \left( \frac{1}{2} \right)^{n+1} = \left( \frac{1}{2} \right)^{n+2}
  • Conclusion : d’aprés le principe de récurrence, on a :

nN,unα(12)n+1\boxed{\forall n \in \mathbb{N}, \quad |u_n - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{n+1}}

3/d/ \quad on a :

nN,unα(12)n+1\forall n \in \mathbb{N}, \quad |u_n - \alpha| \leq \left( \frac{1}{2} \right)^{n+1}

et on a

limn(12)n+1=0\lim_{n}\left(\frac12\right)^{n+1}=0

car 1<12<1-1<\frac12<1

Alors

limun=α\boxed{ \lim u_n=\alpha }

(un)(u_n) converge vers α\alpha

Partie 3

(nN);(\forall n \in \mathbb{N}^*) ;

Sn=1n(n+1)k=1k=nkekn+enknS_n = \frac{1}{n(n+1)} \sum_{k=1}^{k=n} \frac{k}{e^{\frac kn} + e^{-\frac{n-k}{n}}}

1/a

Sn=1n(n+1)k=1k=nkekn+enkn=1n+1k=1k=nkneknekn(ekn+enkn)=1n+1k=1k=nknekn(e2kn+e)=1n+1k=1k=nknf(kn)\begin{align*} S_n &= \frac{1}{n(n+1)} \sum_{k=1}^{k=n} \frac{k}{e^{\frac kn} + e^{-\frac{n-k}{n}}}\\ &=\frac{1}{n+1} \sum_{k=1}^{k=n} \frac{k}{n}\frac{\color{red}e^{\frac kn}}{{\color{red}e^{\frac kn}}(e^{\frac kn} + e^{-\frac{n-k}{n}})} \\ &=\frac{1}{n+1} \sum_{k=1}^{k=n} \frac{k}{n}\frac{e^{\frac kn}}{(e^{2\frac kn} + e)}\\ &=\frac{1}{n+1} \sum_{k=1}^{k=n} \frac{k}{n} f(\frac kn) \end{align*}

1/b

on pose t=1xt=1-x donc x=1tx=1-t et dx=dtdx=-dt

  • f(1t)=f(t)f(1-t)=f(t)
  • x=0    t=1x=0\implies t=1
  • x=1    t=0x=1\implies t=0
01xf(x)dx=10(1t)f(t)(dt)=01f(t)dt01tf(t)dt\begin{align*} \int_0^1 x f(x) dx &=\int_1^0 (1-t)f(t)(-dt) \\ &=\int_0^1f(t)dt - \int_0^1 tf(t)dt \end{align*}

donc pour t=xt=x\quad (car tt est une variable muette)

01xf(x)dx=1201f(x)dx\int_0^1 x f(x) dx=\frac12\int_0^1 f(x) dx

d’aprés la question I-4-b on a :

01f(x)dx=2012f(x)dx\int_0^1 f(x) dx = 2 \int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx

Alors

01xf(x)dx=012f(x)dx\int_0^1 x f(x) dx= \int_0^{\frac{1}{2}} f(x) dx

2/

On a :

Sn=1n+1k=1nknf(kn)S_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=1}^{n} \frac{k}{n} f\left( \frac{k}{n} \right)

Posons la fonction :

φ(x)=xf(x)\varphi(x) = x f(x)

La fonction φ\varphi est continue sur l’intervalle [0,1][0,1] car ff est continue et strictement positive sur R\mathbb{R}.
Ainsi :

Sn=1n+1k=1nφ(kn)S_n = \frac{1}{n+1} \sum_{k=1}^{n} \varphi\left( \frac{k}{n} \right)

D’après le théorème de convergence des sommes de Riemann, on a :

limn+1nk=1nφ(kn)=01φ(x)dx\lim_{n \to +\infty} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \varphi\left( \frac{k}{n} \right) = \int_0^1 \varphi(x)\,dx

Donc :

limnSn=limnnn+11nk=1nφ(kn)=01φ(x)dx\begin{align*} \lim\limits_{n} S_n &= \lim\limits_{n} \frac{n}{n+1} \frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n}\varphi\left( \frac{k}{n} \right) \\ &= \int_0^1\varphi(x)dx \end{align*}

car limnnn+1=limnnn=1\lim\limits_{n} \frac{n}{n+1} = \lim\limits_{n} \frac{n}{n}=1

Or, d’après la question III-1-b, on a :

01xf(x)dx=012f(x)dx=1e[arctan(e)π4]\begin{align*} \int_0^1 x f(x)\,dx &= \int_0^{\frac{1}{2}} f(x)\,dx \\&= \frac{1}{\sqrt{e}} \left[ \arctan(\sqrt{e}) - \frac{\pi}{4} \right] \end{align*}

Conclusion :

la suite (Sn)nN(S_n)_{n\in\N} est convergente et :

limn+Sn=1e[arctan(e)π4]\boxed{ \lim_{n \to +\infty} S_n = \frac{1}{\sqrt{e}} \left[ \arctan(\sqrt{e}) - \frac{\pi}{4} \right] }