Ce contrôle de maths de L1 porte sur le thème suivant : formules de Taylor et développements limités.
Ce partiel de deuxième semestre vérifie que vous maîtrisez les formules de Taylor et le calcul des développements limités. Il commence par une question de cours sur l’unicité du développement limité, puis vous demande de majorer une erreur avec l’inégalité de Taylor-Lagrange appliquée au sinus.
Viennent ensuite des calculs de DL par produit et par composition, deux limites à lever, un équivalent, l’étude locale d’une courbe autour de sa tangente et un problème sur une asymptote oblique. Travaillez 2 h sans calculatrice, en justifiant chaque troncature : l’ordre auquel vous développez fait partie de la réponse.
- Niveau : licence L1
- Chapitre : Formules de Taylor et développements limités
- Durée conseillée : 2 h
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 3 points ; exercice 2 : 4 points ; exercice 3 : 5 points ; exercice 4 : 3 points ; exercice 5 : 5 points)
- Compétences évaluées :
- Communiquer : énoncer et démontrer l’unicité d’un développement limité
- Calculer : obtenir un développement limité par produit, composition et quotient
- Raisonner : majorer une erreur d’approximation avec l’inégalité de Taylor-Lagrange
- Chercher : lever une forme indéterminée à l’aide d’un développement limité ou d’un équivalent
- Représenter : interpréter un développement asymptotique en termes de tangente et d’asymptote
Exercice 1 : Question de cours : unicité du développement limité (3 points)
Calculatrice interdite.
Soit \(f\) une fonction définie sur un intervalle \(I\) contenant \(0\), et \(n \in \mathbb{N}\).
- Donnez la définition de « \(f\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) en \(0\) ». (1 point)
- Démontrez que, s’il existe, ce développement limité est unique : autrement dit, si \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} a_k x^k + o(x^n) = \sum_{k=0}^{n} b_k x^k + o(x^n)\) au voisinage de \(0\), alors \(a_k = b_k\) pour tout \(k \in \{0, \ldots, n\}\). (2 points)
Exercice 2 : Inégalité de Taylor-Lagrange pour le sinus (4 points)
- Énoncez l’inégalité de Taylor-Lagrange pour une fonction \(f\) de classe \(\mathcal{C}^{n+1}\) sur un intervalle \(I\), entre deux points \(a\) et \(x\) de \(I\). (1 point)
- Montrez que, pour tout réel \(x\), \[| \sin x – x + \frac{x^3}{6} | \leq\, \frac{|x|^5}{120}.\] (1,5 point)
- Déduisez-en une valeur approchée de \(\sin(0{,}1)\) sous forme décimale, et justifiez que l’erreur commise est inférieure à \(10^{-7}\). (1,5 point)
Exercice 3 : Développements limités, limites et équivalents (5 points)
Les développements limités usuels en \(0\) de \(e^x\), \(\sin x\), \(\cos x\) et \(\ln(1+x)\) sont supposés connus.
- Déterminez le développement limité à l’ordre \(3\) en \(0\) de \(x \mapsto e^x \sin x\). (1,5 point)
- Déterminez le développement limité à l’ordre \(4\) en \(0\) de \(x \mapsto \ln(\cos x)\). (1,5 point)
- Calculez \(\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{e^x \sin x – x – x^2}{x – \sin x}\). (1 point)
- Donnez un équivalent simple, quand \(x\) tend vers \(0\) par valeurs supérieures, de \((1+x)^{1/x} – e\). (1 point)
Exercice 4 : Position d’une courbe par rapport à sa tangente (3 points)
On note \(f\) la fonction définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = e^x \cos x\), et \(\mathcal{C}\) sa courbe représentative.
- Déterminez le développement limité à l’ordre \(3\) en \(0\) de \(f\). (1,5 point)
- Donnez une équation de la tangente \(T\) à \(\mathcal{C}\) au point d’abscisse \(0\). (0,5 point)
- Étudiez la position relative de \(\mathcal{C}\) et de \(T\) au voisinage de \(0\). Que représente le point de \(\mathcal{C}\) d’abscisse \(0\) ? (1 point)
Exercice 5 : Problème : asymptote oblique d’une fonction (5 points)
On considère la fonction \(g\) définie sur \(\mathbb{R}^*\) par \(g(x) = x\, e^{1/x}\), et on note \(\Gamma\) sa courbe représentative dans un repère orthonormé.
- En posant \(u = \dfrac{1}{x}\) et en utilisant le développement limité de \(e^u\) à l’ordre \(3\) en \(0\), montrez que, lorsque \(x\) tend vers \(+\infty\) ou vers \(-\infty\), \[g(x) = x + 1 + \frac{1}{2x} + \frac{1}{6x^2} + o(\frac{1}{x^2}).\] (1,5 point)
- Déduisez-en que \(\Gamma\) admet une asymptote oblique \(\Delta\) en \(+\infty\) et en \(-\infty\), dont vous donnerez une équation. Précisez la position de \(\Gamma\) par rapport à \(\Delta\) au voisinage de \(+\infty\), puis de \(-\infty\). (1,5 point)
- Déterminez les limites de \(g\) en \(0\) à droite et en \(0\) à gauche. (1 point)
- Calculez \(g^{\prime}(x)\), dressez le tableau de variations de \(g\) et vérifiez qu’il est compatible avec la question b. (1 point)
Réviser avant le contrôle : formules de Taylor et développements limités
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Développements limités » en L1 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés développements limités.
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