Exercice 12-05
  1. Calculer le \(DL(3)\) de \(\tan(x)\) autour de \(x_0=0\), avec un reste de la forme \(x^3\varepsilon(x)\), puis montrer que \[ \tan(x)^2=x^2+\frac{2}{3}x^4+x^4\phi(x)\,, \] où \(\phi(x)\) est une fonction que l'on exprimera explicitement en fonction de \(x\) et \(\varepsilon(x)\), et on vérifiera que \(\phi(x)\) tend vers zéro lorsque \(x\to 0\).
  2. Utiliser la première partie pour calculer \[ \lim_{x\to 0}\frac{x^2-\tan(x)^2}{x^2\tan(x)^2}\,, \] puis \[ \lim_{t\to \frac{\pi}{2}}\Bigl\{\tan (t)^2-\frac{1}{(t-\frac{\pi}{2})^2}\Bigr\} \]

On pourra éventuellement faire le changement de variable \(x:= t-\frac{\pi}{2}\)

  1. Avec \(f(x)=\tan(x)\), on a \[\begin{aligned} f^{(1)}(x)&=1+\tan(x)^2\\ f^{(2)}(x)&=2\tan(x)(1+\tan(x)^2)\\ f^{(3)}(x)&=2(1+\tan(x)^2)+6\tan(x)^2(1+\tan(x)^2)\,, \end{aligned}\] ce qui donne le \(DL(3)\): \[ \tan(x)=x+\frac{x^3}{3}+x^3\varepsilon(x)\,. \] En développant, \[\begin{aligned} \tan(x)^2&= \Big(x+\frac{x^3}{3}+x^3\varepsilon(x)\Bigr)^2\\ &= x^2+\frac{x^6}{9}+x^6\varepsilon(x)^2 + \frac23 x^4+2x^4\varepsilon(x)+\frac23 x^6\varepsilon(x)\\ &= x^2+\frac23 x^4+x^4 \underbrace{\Bigl( \frac{x^2}{9}+x^2\varepsilon(x)^2+2\varepsilon(x)+\frac23 x^2\varepsilon(x) \Bigr)}_{=:\phi(x)}\,, \end{aligned}\] où \(\phi(x)\to 0\) quand \(x\to 0\).
  2. On peut écrire, à l'aide de ce qui précède, \[\begin{aligned} \frac{x^2-\tan(x)^2}{x^2\tan(x)^2} &= \frac{x^2-(x^2+\frac{2}{3}x^4+x^4\phi(x))}{x^2(x^2+\frac{2}{3}x^4+x^4\phi(x))}\\ &= \frac{-\frac{2}{3}x^4-x^4\phi(x))}{x^4(1+\frac{2}{3}x^2+\phi(x))}\\ &=\frac{-\frac23-\phi(x)}{1+\frac23 x^2+x^2\phi(x)}\,, \end{aligned}\] qui donne \[ \lim_{x\to 0}\frac{x^2-\tan(x)^2}{x^2\tan(x)^2}=-\frac23\,. \] Ensuite, par le changement de variable \(x=t-\frac{\pi}{2}\), \[\begin{aligned} \lim_{t\to \frac{\pi}{2}} \Bigl( \tan(t)^2- \frac{1}{(t-\tfrac{\pi}{2})^2} \Bigr) &= \lim_{x\to 0} \Bigl( \tan(x+\tfrac{\pi}{2})^2- \frac{1}{x^2} \Bigr)\\ &= \lim_{x\to 0} \Bigl( \frac{1}{\tan(x)^2}- \frac{1}{x^2} \Bigr)\\ &=\lim_{x\to 0}\frac{x^2-\tan(x)^2}{x^2\tan(x)^2}=-\frac23\,. \end{aligned}\]