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Quelle est la limite de x²ln(1/racine(x²+1)) quand x tend vers l'infini ?
alphonsio

La limite de l'expression x2ln⁡(xx2+1)x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) lorsque x→∞x \to \infty est −12-\frac{1}{2} :

lim⁡x→∞x2ln⁡(xx2+1)=−12\lim_{x \to \infty} x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = -\frac{1}{2}


Il existe plusieurs façons de démontrer cette limite.

Démonstration 1

Étape 1 : Simplifions l'argument du logarithme.

xx2+1=xx2(1+1x2)=xx1+1x2=11+1x2\frac{x}{\sqrt{x^2+1}} = \frac{x}{\sqrt{x^2(1 + \frac{1}{x^2})}} = \frac{x}{x\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}}

L'expression initiale devient :

f(x)=x2ln⁡(11+1x2)f(x) = x^2 \ln \left( \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} \right)

Étape 2 : Changement de variable

Posons y=1x2y =\frac{1}{x^2}, l'expression devient :

f(x)=1yln⁡(11+y)f(x) = \frac{1}{y} \ln \left( \frac{1}{\sqrt{1 + y}} \right)

En utilisant la relation ln⁡(10)=−ln⁡(a)\ln(\frac{1}{0}) = -\ln(a), nous pouvons écrire :

f(x)=−1yln⁡(1+y)f(x) = - \frac{1}{y}\ln \left( \sqrt{1 + y} \right)

Transformons la racine en puissance :

f(x)=−1yln⁡((1+y)12)f(x) = - \frac{1}{y}\ln \left( (1 + y)^{\frac{1}{2}} \right)

En utilisant la relation ln⁡(xa)=aln⁡(x)\ln(x^a) = a\ln(x), nous pouvons écrire :

f(x)=−12×1y×ln⁡(1+y)f(x) = - \frac{1}{2} \times \frac{1}{y} \times \ln \left( 1 + y \right)

f(x)=−12×ln⁡(1+y)yf(x) = - \frac{1}{2} \times \frac{ \ln \left( 1 + y \right) }{y}

Sachant que lim⁡y→0ln(1+y)y=1\lim_{y \to 0} \frac{ln(1+y)}{y} = 1, nous pouvons en déduire :

lim⁡x→∞−12ln⁡(1+y)y=−12\lim_{x \to \infty} - \frac{1}{2} \frac{ \ln \left( 1 + y \right) }{y} = -\frac{1}{2}

Donc :

lim⁡x→∞x2ln⁡(xx2+1)=−12\lim_{x \to \infty} x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = -\frac{1}{2}


Démonstration 2

Étape 1 : Simplifions l'argument du logarithme.

xx2+1=xx2(1+1x2)=xx1+1x2=11+1x2\frac{x}{\sqrt{x^2+1}} = \frac{x}{\sqrt{x^2(1 + \frac{1}{x^2})}} = \frac{x}{x\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}}

Pour x→∞x \to \infty, 1+1x2→1\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}} \to 1, donc :
ln⁡(xx2+1)=ln⁡(11+1x2)=ln⁡((1+1x2)−12)=−12ln⁡(1+1x2)\ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = \ln \left( \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} \right) = \ln \left( \left(1 + \frac{1}{x^2} \right)^{-\frac{1}{2}} \right) = -\frac{1}{2} \ln \left( 1 + \frac{1}{x^2} \right)

Étape 2 : Changement de variable

Posons y=1x2y =\frac{1}{x^2} :

Pour x→∞x \to \infty :

f(x)→−12x2ln⁡(1+1x2)f(x) \to -\frac{1}{2} x^2 \ln \left( 1 + \frac{1}{x^2} \right)
f(x)→−12ln⁡(1+y)yf(x) \to -\frac{1}{2} \frac{\ln \left( 1 + y \right)}{y}

Sachant que lim⁡y→0ln(1+y)y=1\lim_{y \to 0} \frac{ln(1+y)}{y} = 1, nous pouvons en déduire :

lim⁡x→∞x2ln⁡(xx2+1)=−12\lim_{x \to \infty} x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = -\frac{1}{2}


Démonstration 3

Étape 1 : Simplifions l'argument du logarithme.

xx2+1=xx2(1+1x2)=xx1+1x2=11+1x2\frac{x}{\sqrt{x^2+1}} = \frac{x}{\sqrt{x^2(1 + \frac{1}{x^2})}} = \frac{x}{x\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} = \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}}

Pour x→∞x \to \infty, 1+1x2→1\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}} \to 1, donc :
ln⁡(xx2+1)=ln⁡(11+1x2)=ln⁡((1+1x2)−12)=−12ln⁡(1+1x2)\ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = \ln \left( \frac{1}{\sqrt{1 + \frac{1}{x^2}}} \right) = \ln \left( \left(1 + \frac{1}{x^2} \right)^{-\frac{1}{2}} \right) = -\frac{1}{2} \ln \left( 1 + \frac{1}{x^2} \right)

Étape 2 : Développement de ln⁡(1+1x2)\ln(1 + \frac{1}{x^2}) pour x→∞x \to \infty.

En utilisant l'approximation ln⁡(1+u)∼u\ln(1 + u) \sim u pour u→0u \to 0, on obtient :
ln⁡(1+1x2)∼1x2\ln \left( 1 + \frac{1}{x^2} \right) \sim \frac{1}{x^2}

Donc :
ln⁡(xx2+1)∼−12⋅1x2\ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) \sim -\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2}

Pour cette étape, nous pouvons également

Étape 3 : Multiplions par x2x^2.

f(x)=x2ln⁡(xx2+1)∼x2⋅(−12⋅1x2)f(x) = x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) \sim x^2 \cdot \left( -\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2} \right)

Simplifions :
f(x)∼−12f(x) \sim -\frac{1}{2}

Nous en déduisons :

lim⁡x→∞x2ln⁡(xx2+1)=−12\lim_{x \to \infty} x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = -\frac{1}{2}


Résultat :

Les trois démonstrations ammènent au même résultat :

lim⁡x→∞x2ln⁡(xx2+1)=−12\lim_{x \to \infty} x^2 \ln \left( \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right) = -\frac{1}{2}