Exercice 12-01
À l'aide de la formule de Taylor, établir le développement limité suivant autour de \(x=0\): \[ \log(1+x)=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+\dots +(-1)^{n+1}\frac{x^n}{n}+x^n\varepsilon(x) \]
La formule de Taylor donne, pour une fonction \(k\) fois dérivable dans le voisinage d'un point \(x_0\), l'expression du développement limité d'ordre de \(f\) autour de \(x_0\): \[ f(x)= f(x_0)+ f'(x_0)(x-x_0) +\frac{f^{(2)}(x_0)}{2!}(x-x_0)^2 +\frac{f^{(3)}(x_0)}{3!}(x-x_0)^3 +\cdots +\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n +R(x)\,,\\ \phantom{2} \] où le reste \(R(x)=(x-x_0)^n\varepsilon(x)\), avec \[ \lim_{x\to x_0}\varepsilon(x)=0\,. \]
Pour tout \(n\geqslant 1\), \(f(x)=\log(1+x)\) est \(n\) fois continûment dérivable sur \(I=]-1,1[\). De plus, \[\begin{aligned} f'(x)&=(1+x)^{-1}\\ f^{(2)}(x)&=(-1)(1+x)^{-2}\\ f^{(3)}(x)&=(-1)^21\cdot 2\cdot (1+x)^{-3}\\ f^{(4)}(x)&=(-1)^31\cdot 2\cdot 3\cdot (1+x)^{-4}\,, \vdots&\\ f^{(k)}(x)&=(-1)^{k+1}(k-1)!(1+x)^{-k}\,,\\ \vdots&\\ f^{(n)}(x)&=(-1)^{n+1}(n-1)!(1+x)^{-n}\,. \end{aligned}\] On a donc, pour tout \(k=1,\dots,n\), \[ f^{(k)}(0)=(-1)^{k+1}(k-1)!\,. \] Ainsi, comme \(\frac{f^{(k)}(0)}{k!}=\frac{(-1)^{k+1}}{k}\), la formule est démontrée.