Taylor-Young et DL usuels en L1 de maths : exercices corrigés

Taylor-Young et DL usuels – Exercices corrigés en Licence 1 sur Maths-pdf.fr Couverture : Cahier d'exercices corrigés de maths L1 en PDF Télécharger en PDF Le livre d'exercices corrigés en L1 PDF à imprimer Voir le livre ›


Ces exercices DL L1 entraînent tous les gestes du chapitre, du plus mécanique au plus réflexif. Les premiers énoncés font manipuler les notations de Landau, les DL usuels et les opérations simples. Ensuite viennent la composition, le quotient et l’intégration d’un développement, puis les applications : limites, tangentes, asymptotes et suites.

La dernière partie demande davantage d’initiative, avec un contre-exemple, une suite définie implicitement, une fonction réciproque et un problème d’étude complète. Cherchez chaque exercice au brouillon avant d’ouvrir le corrigé, puis comparez surtout l’ordre choisi pour chaque développement. Si un calcul vous résiste, revenez d’abord au tableau des DL usuels du cours. Ensuite, refaites l’exercice une semaine plus tard, sans aide : c’est le meilleur test avant un partiel.

Pour démarrer

Exercice 1 – Comparer avec o, O et équivalents

Dire si chaque affirmation est vraie ou fausse, puis justifier.

  1. En 0, \(x^2=o(x)\).
  2. En \(+\infty\), \(x=o(x^2)\) et \(\ln x=o(\sqrt{x})\).
  3. En 0, \(x^2\sin(1/x)=O(x^2)\), mais \(x^2\sin(1/x)\) n’est pas équivalent à \(x^2\).
  4. En \(+\infty\), si \(f\sim g\), alors \(e^{f}\sim e^{g}\).
  5. En 0, \(x+x^2\sim x+x^3\), mais \((x+x^2)-x\) n’est pas équivalent à \((x+x^3)-x\).
  6. En 0, \(o(x^2)\times O(x^3)=o(x^5)\).

Exercice 2 – DL par somme et produit

Déterminer le développement limité en 0 à l’ordre indiqué.

  1. \(\cos x\,\mathrm{ch}\,x\) à l’ordre 4.
  2. \(e^{x}(1+x)^{-1/2}\) à l’ordre 3.
  3. \(\sin x-x\cos x\) à l’ordre 5.

Exercice 3 – Équivalents élémentaires

Donner un équivalent simple de chaque expression au point indiqué.

  1. \(3^{x}-2^{x}\) en 0.
  2. \(\sqrt{1+x}-\sqrt{1-x}\) en 0.
  3. \(\ln(\cos 3x)\) en 0.
  4. \(\sqrt{x+1}-\sqrt{x}\) en \(+\infty\).

Exercice 4 – Dérivées en 0 grâce à l’unicité

On pose \(f(x)=\frac{\cos x}{1+x^2}\) pour \(x\) réel.

  1. Justifier sans calcul que le DL de \(f\) en 0 ne contient que des puissances paires.
  2. Ensuite, calculer le DL d’ordre 4 de \(f\) en 0.
  3. Enfin, en déduire \(f^{\prime\prime}(0)\) et \(f^{(4)}(0)\).

Exercice 5 – Approcher la racine carrée de 1,1

On note \(\varphi(t)=\sqrt{1+t}\) pour \(t>-1\).

  1. Écrire le polynôme de Taylor d’ordre 2 de \(\varphi\) en 0.
  2. Ensuite, calculer \(\varphi^{\prime\prime\prime}\) et la majorer sur \([0\,;0{,}1]\).
  3. Enfin, avec l’inégalité de Taylor-Lagrange, donner une valeur approchée de \(\sqrt{1{,}1}\) et une majoration de l’erreur.

La figure compare \(\varphi\) et son polynôme de Taylor d’ordre 2.

Racine carrée de un plus t comparée à son polynôme de Taylor d'ordre deux en zéro

Exercice 6 – Premières limites par DL

Calculer les limites suivantes en 0.

  1. \(\frac{e^{2x}-1-2x}{x\sin x}\).
  2. \(\frac{1-\cos x}{x\ln(1+x)}\).
  3. \(\frac{\mathrm{sh}\,x-x}{x-\arctan x}\).

Pour s’entraîner

Exercice 7 – DL par composition

  1. Déterminer le DL d’ordre 3 en 0 de \(\exp\big(\sqrt{1+x}\big)\).
  2. De même, développer \(\ln\big(1+\sin^2x\big)\) en 0 à l’ordre 4.

Exercice 8 – DL d’un quotient

  1. À l’aide du DL de \(\frac{1}{1+v}\), calculer le DL d’ordre 3 en 0 de \(\frac{1+x}{\cos x+\sin x}\).
  2. Ensuite, procéder de la même façon pour \(\frac{1}{1+x+e^{x}}\), toujours à l’ordre 3.

Exercice 9 – Intégrer un DL

  1. On pose \(F(x)=\int_0^x e^{-t^2}\,dt\). Déterminer le DL d’ordre 5 de \(F\) en 0.
  2. Ensuite, on pose \(h(x)=\arctan(1+x)-\frac{\pi}{4}\). Calculer le DL d’ordre 2 de \(h^{\prime}\) en 0, puis celui de \(h\) à l’ordre 3.

Exercice 10 – Lever des indéterminations

Calculer les limites suivantes.

  1. \(\frac{1}{e^{x}-1}-\frac{1}{\sin x}\) quand \(x\) tend vers 0.
  2. \(\sqrt{x^2+x}-\sqrt[3]{x^3+x^2}\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\).
  3. \((\mathrm{ch}\,x)^{1/(1-\cos x)}\) quand \(x\) tend vers 0.

Exercice 11 – Prolongement et position de la tangente

Pour \(x\in\,]-\pi\,;\pi[\) non nul, on pose \(f(x)=\frac{x-\sin x}{x(1-\cos x)}\).

  1. Montrer que \(f\) se prolonge par continuité en 0, et préciser la valeur \(f(0)\).
  2. Ensuite, prouver que le prolongement est dérivable en 0 et donner l’équation de sa tangente.
  3. Enfin, préciser la position de la courbe par rapport à cette tangente au voisinage de 0.

Exercice 12 – Asymptotes obliques et position

  1. On pose \(f(x)=(x^2+x)\ln\big(1+\frac1x\big)\) sur \(]-\infty\,;-1[\,\cup\,]0\,;+\infty[\). Montrer que \(f\) admet une asymptote oblique en \(+\infty\) et en \(-\infty\), et préciser la position de la courbe.
  2. De même, traiter la fonction \(g(x)=\sqrt[3]{x^3+3x^2+1}\), définie sur \(\mathbb{R}\).

La figure montre la courbe de \(g\) et une droite candidate.

Courbe de la racine cubique de x cube plus trois x carré plus un avec la droite y égale x plus un

Exercice 13 – Reste intégral et encadrement de ln(1,2)

  1. Écrire la formule de Taylor avec reste intégral à l’ordre 2 en 0 pour \(t\mapsto\ln(1+t)\).
  2. Par conséquent, établir, pour tout \(x\in[0\,;1]\) : \(\frac{x^3}{3(1+x)^3}\leqslant\ln(1+x)-x+\frac{x^2}{2}\leqslant\frac{x^3}{3}\).
  3. Enfin, donner un encadrement de \(\ln(1{,}2)\) d’amplitude inférieure à \(1{,}2\times10^{-3}\).

Exercice 14 – Équivalents de suites

Trouver un équivalent simple de chaque suite quand \(n\) tend vers \(+\infty\).

  1. \(u_n=n^{1/n}-1\).
  2. \(v_n=n\sin\frac1n-\cos\frac1n\).
  3. \(w_n=\ln(n+1)-\ln n-\frac1n\).

Exercice 15 – DL en un point autre que 0

  1. Déterminer le DL d’ordre 2 de \(\sqrt{x}\) en 4.
  2. Ensuite, déterminer le DL d’ordre 3 de \(\tan x\) en \(\frac{\pi}{4}\), de deux façons : par la formule d’addition, puis par Taylor-Young.

Pour approfondir

Exercice 16 – Un DL d’ordre 2 sans dérivée seconde

On pose \(f(x)=1+x+x^2+x^3\sin\frac1x\) pour \(x\neq0\) et \(f(0)=1\).

  1. Montrer que \(f\) admet un DL d’ordre 2 en 0 et le donner.
  2. Ensuite, établir la dérivabilité de \(f\) en tout réel, puis expliciter \(f^{\prime}(x)\) pour \(x\neq0\) ainsi que \(f^{\prime}(0)\).
  3. Enfin, étudier le taux d’accroissement de \(f^{\prime}\) en 0. Quelle conséquence en tirer sur la réciproque de Taylor-Young ?

Exercice 17 – Développement asymptotique d’une suite implicite

Soit \(n\geqslant1\) un entier.

  1. Montrer que l’équation \(e^{x}+x=n\) admet une unique solution réelle \(x_n\), et que \(0\leqslant x_n\leqslant\ln n\).
  2. Ensuite, vérifier que \(x_n=\ln n+\ln\big(1-\frac{x_n}{n}\big)\), puis que \(x_n\sim\ln n\).
  3. Finalement, établir \(x_n=\ln n-\frac{\ln n}{n}+o\big(\frac{\ln n}{n}\big)\).

Exercice 18 – DL d’une fonction réciproque

On pose \(f(x)=x\,e^{x}\) sur \([-1\,;+\infty[\).

  1. Montrer que \(f\) réalise une bijection de \([-1\,;+\infty[\) sur \([-\frac1e\,;+\infty[\). On note \(g\) sa réciproque.
  2. Ensuite, justifier que \(g\) est de classe \(C^\infty\) sur \(]-\frac1e\,;+\infty[\), puis qu’elle admet un DL d’ordre 3 en 0.
  3. Enfin, calculer ce DL en identifiant les coefficients dans \(f(g(y))=y\). Par conséquent, donner un équivalent de \(g\) en 0.

Exercice 19 – Problème : étude complète d’une puissance variable

On pose \(f(x)=x^{1+1/x}=\exp\big((1+\frac1x)\ln x\big)\) pour \(x>0\).

  1. Montrer que \(f\) se prolonge par continuité en 0. Le prolongement est-il dérivable en 0 ?
  2. Ensuite, en posant \(x=1+h\), montrer que \(f(1+h)=1+2h-\frac{h^3}{2}+o(h^3)\).
  3. Par conséquent, donner la tangente en 1 et la nature du point d’abscisse 1.
  4. De plus, prouver qu’en \(+\infty\) : \(f(x)=x+\ln x+\frac{(\ln x)^2}{2x}+o\Big(\frac{(\ln x)^2}{x}\Big)\).
  5. Finalement, la courbe admet-elle une asymptote oblique en \(+\infty\) ? Comparer la courbe de \(f\) à celle de \(x\mapsto x+\ln x\).

Pour aller plus loin

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