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Ecrit 2 CAPES Mathématiques
G. Julia, 2018/2019 1
Bac Terminale C Aix-Marseille 1981 : le
problème de BâleL'objet du problème est de déterminer la somme de la série des inverses des carrés, couronnement du
problème, somme obtenue après quelques péripéties picaresques.La recherche de la valeur exacte de cette somme est connue sous le nom de " problème de Bâle », lieu de
naissance de Jacques Bernoulli et de Léonhard Euler qui s'intéressèrent l'un et l'autre à cette recherche aux
XVIIème et XVIIIème siècle respectivement.On pourra comparer le niveau de ce sujet avec celui des sujets posés lors des récentes sessions du CAPES.
1. Le sujet
A. Une suite majorée (résultat de Bernoulli)On considère les suites u et v définies sur N* par 11=u et 11=v et pour tout entier 2³n par :
2221...
2 1 1 1 nun+++= ; ( )nnvn´-++´+´+=11...321 21111. Trouver deux réels A et B tels que pour tout entier 2³n : ( )nB
nA nn+-=´-111.En déduire que pour tout entier 2
³n : nvn12-=
2. Montrer que la suite u est croissante, que pour tout n élément de N* : nnvu£ et que la suite u est majorée.
B. Une affaire de fonctions trigonométriques et d'intégrales On rappelle que si q est un nombre complexe différent de 1 et n un entier naturel : qqqqq nn11...1
121. Soit t un élément de l'intervalle []p,0 .
On pose pour tout entier 2
³n : ( )
n k n tktC 1 cos et ( ) n k n tktS 1 sin1.1. Calculer le nombre complexe ()()tSitCnn+.
En déduire que si t est un élément de
]]p,0 : ( )2sin21cos.2sin
tt ntn tC n = et si 0=t, ()nCn=0 .1.2. L'application Cn de []p,0 dans R est-elle continue sur []p,0 ?
Ecrit 2 CAPES Mathématiques
G. Julia, 2018/2019 2
2. Vérifier que pour tout t élément de ]]p,0 : ( )
2sin212sin
21ttn tC n =+ et montrer que l'application de ]]p,0 dans
R qui à t associe
2sin212sin
tt n peut être prolongée en une application gn continue sur []p,0 .3. Montrer que pour tout entier n de N* : 2021cos2ndttntt=
998: p p.
En déduire que
( )dttCttunn.)) 998: p p022.
4. Vérifier que 6221
2 02p pp=)) 998: -.dttt et que pour tout entier n de N* : ( )dttgttunn.)) 99
8: p pp022221 6
C. Une limite déterminée par Euler en 1735
On considère la fonction numérique f définie sur []p,0 par ()20=f et pour tout t élément de ]]p,0 par
2sin2 2 tt t tfp-1. Montrer que f est continue sur []p,0 ; en déduire l'existence d'un réel M tel que pour tout t élément de
[]p,0 : ()Mtf££0 2.Soit a un réel fixé tel que pa<<0 .
2.1. Montrer que pour tout entier naturel n : ( )Mdttntfa a£+.0212sin2.2. Montrer que f est dérivable sur []pa, et que la fonction dérivée f' est continue sur ce segment. En
déduire l'existence d'un réel M' tel que pour tout t élément de []pa, : ()''Mtf£.2.3. On pose pour tout entier naturel n : ( ).+=p
adttntfIn212sin . Montrer en utilisant une intégration par
parties que 0lim= +¥®nnI3. Déduire de la question 2 que : 06lim
2 998: -+¥®nnup
Ecrit 2 CAPES Mathématiques
G. Julia, 2018/2019 3
2. Eléments de correction
A. Une suite majorée
On considère les suites u et v définies sur N* par 11=u et 11=v et pour tout entier 2³n par :
2221...
2 1 1 1 nun+++= ; ( )nnvn´-++´+´+=11...321 21111. () ( )nnBnBA nB nA
11--+=+-.
Par identification :
234=-=+Û=-+³"10122018BBABnBAniagilbertjul, c'est-à-dire que
234-==
11 BA.Pour tout entier 2
³n : ( )nnnn1
1111--=´-
On en déduit que pour tout entier 2
³n
8: n k n kkv2 1111, ce qui crée une somme télescopique dont ne
subsiste, par sommation, que le premier et le dernier terme : nnvn12111-=) 8:2. Pour tout n élément de N* : 211
nuunn=-+ . La différence de deux termes consécutifs de la suite u étant toujours strictement positive, la suite u est strictement croissante.Pour tout entier 2
³k : ( )kkk´-<1112
Donc, par comparaison terme à terme, pour tout entier 2³n : ( )
nk knk k kkk222111 d'où l'on déduit : ( )nnk knk k nvkkkugj=´-+<+=22211111 . Par définition des termes de rang 1, on peut écrire une inégalité de
même sens, mais au sens large cette fois :11vu£.
Finalement, pour tout n élément de
N* : nnvu£
Le réel 2 étant un majorant de la suite v, c'est aussi un majorant de la suite u. La suite u étant croissante et
majorée par 2, elle converge et sa limite est inférieure ou égale à 2.Ecrit 2 CAPES Mathématiques
G. Julia, 2018/2019 4
B. Une affaire de fonctions trigonométriques et d'intégrales On rappelle que si q est un nombre complexe différent de 1 et n un entier naturel : qqqqq nn11...1
121. Soit t un élément de l'intervalle []p,0 .
On pose pour tout entier 2
³n : ( )
n k n tktC 1 cos et ( ) n k n tktS 1 sin1.1. ( ) ( ) ( )
nk ktki nk k nn ktitktSitC 11 sincose. Ceci apparaît comme une somme des termes d'une suite géométrique dont le premier terme est tie et dont la raison est tie.Lorsque 0
=t, la raison est égale à 1, et l'on obtient : ( )nC nk k n 1 10.Lorsque t est un élément de
]]p,0 , la raison est différente de 1 : 998: 99
8: 8:) 8:-) 8:
222222
11titititn
itnitni ti titni ti nntSitC eeeeee e eee et ()tCn en est la partie réelle. 998:) 8:) 99
8:) 8: 99
8:) 8: 8: 99
8:) 8:-) 99
8:) 8:- 2sin2 sin
21sin21cos
2 sin22 sin2 201821
ttn t nitn titn i tSitCagibertjuli tni nn e
La partie réelle de ce nombre complexe est :
8:) 8: 8: 2 sin2 sin .21costtn t ntC n1.2. L'application Cn de []p,0 dans R est continue sur l'intervalle semi-ouvert]]p,0 en tant que cocktail de
fonctions continues sur cet intervalle. Il reste à examiner la continuité éventuelle en zéro.
On rappelle à cet effet une limite de référence :1sinlim
0= ®h h h. On l'utilisera à plusieurs occasions en faisant apparaître un quotient de ce genre. ( )( )0 2 sin2 22sin .21coslimlim
00ntntCntt
tntn t nntCgj== 9 9998: 8:) 8: 8:) 8: 8:
L'application C
n est aussi continue en zéro, Cn est continue sur l'intervalle fermé []p,0 .Ecrit 2 CAPES Mathématiques
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2. Pour tout t élément de ]]p,0 :
8:-) 8: 8: 8:2sin212sin21
2sin21
2sin21cos.2sin2ttntntntntntntn
gjulia et donc ( )1 2 sin212sin 2 sin2 sin212sin 2- 8:) 8: 8:) 8:-) 8: tt n tt tn tC gjulian puis ( ) 8:) 8: 2 sin212sin 21ttn tC gjulian ( )12 2 sin2
212212sin
12lim 2 sin212sin lim00+=8:´+)
8: 8:) 8:®®ntt
t nt n n tt nttL'application de l'intervalle semi-ouvert
]]p,0 dans R qui à t associe2sin21sin
tt n peut être prolongée en une application g n continue sur le segment[]p,0 en posant : ( )12 2 sin212sin lim00+= 8:) 8:®ntt
n gtn. En résumé, la fonction continue sur l'intervalle fermé []p,0 : ()tCtn21+a est identique à la fonction gn définie par : 8:) 8: 2 sin212sin tt n tg n sur le semi-ouvert ]]p,0 et prolongée par :()120+=ngn 3.Soit un entier n de N*.
Par une première intégration par parties :
dtntt nnttt ndttnttsin11sin21cos20 02 02..)8:--
6657
99
8: 99
8: pp p ppp
Par une deuxième intégration par parties :
p ppp ppppp02 000 sin1cos11cos1cos11sin1 '6 578:--=+
'6 57)8:--=)
8:- ..tnnntt ndttnnntt ndttnt.On obtient :
2 0322021sin1cos11sin21cos2nntnntt
nnttt ndttntt= 6657
8:-+))
998: 99
8: p p pppp
Par définition de C
n : ( )( ) 2018012
02cos22
iagilbertjul dtktttdttCtt nk k n.. 6657
99
8: 99
8: =pp pp.
Ecrit 2 CAPES Mathématiques
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Par additivité de l'intégrale, on peut intervertir la sommation finie =nk k1.... et le symbole intégrale :
( )nnk knk k nukdtktttdttCtt iagilbertjul 998: 99
8: 99
8: 12 102
02
1cos22
2018pp pp