Calcul d'intégrales

Exercice 15 ⭐️ Encadrement ln⁡(1+x)\displaystyle \ln(1+x), Terminale/Sup/L1

En écrivant ln⁡(1+x)\displaystyle \ln(1+x) comme une intégrale, montrer que pour tout x≥0\displaystyle x\ge0, xx+1≤ln⁡(1+x)≤x\displaystyle \frac{x}{x+1}\le\ln(1+x)\le x.

On écrit ln⁡(1+x)=∫11+xduu\displaystyle \ln(1+x)=\int_1^{1+x}\frac{du}{u}. On a pour tout x≥0\displaystyle x\ge0 et tout u∈[1,1+x]\displaystyle u\in[1,1+x], 11+x≤1u≤1\displaystyle \frac{1}{1+x}\le\frac{1}{u}\le 1.
Donc ∫11+xdu1+x≤∫11+xduu≤∫11+xdu\displaystyle \int_1^{1+x}\frac{du}{1+x}\le\int_1^{1+x}\frac{du}{u}\le \int_1^{1+x}du, ce qui donne le résultat désiré.

Exercice 16 ⭐️⭐️⭐️ ∫0π4ln⁡(1+tan⁡(x))dx\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(1+\tan(x))dx, Spé/L2

Calculer I=∫0π/4ln⁡(1+tan⁡(x))dx\displaystyle I=\int_0^{\pi/4} \ln(1+\tan(x))dx.

  • Fonction tan⁡\displaystyle \tan, intégration sur (0,π/4)\displaystyle (0,\pi/4) 👉 Formules trigonométrie, changement de variable ;
  • ln⁡\displaystyle \ln 👉 ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\displaystyle \ln(ab)=\ln a+\ln b.

On va utiliser quelques formules de trigonométrie : 1+tan⁡x=cos⁡x+sin⁡xcos⁡x=2cos⁡(x−π/4)cos⁡x\displaystyle 1+\tan x=\frac{\cos x+\sin x}{\cos x}=\frac{\sqrt{2}\cos(x-\pi/4)}{\cos x}. Donc
I=∫0π4ln⁡(1+tan⁡(x))dx=π4ln⁡2+∫0π4ln⁡(cos⁡(x−π4))dx−∫0π4ln⁡(cos⁡(x))dx=π8ln⁡2,\begin{aligned} I & = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(1+\tan(x))dx\\ & = \frac{\pi}{4}\ln\sqrt{2}+\int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\cos(x-\frac{\pi}{4}))dx-\int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\cos(x))dx \\ & = \frac{\pi}{8}\ln 2,\\ \end{aligned} grâce au changement de variable u=π/4−x\displaystyle u=\pi/4-x.

Exercice 24 ⭐️⭐️ ∫0∞ln⁡(t)t2+xdt\displaystyle \int_0^\infty\frac{\ln(t)}{t^2+x}dt, Mines PSI, Spé/L2

On pose I:x⟼∫0∞ln⁡(t)t2+xdt.I:x\longmapsto \int_0^\infty\frac{\ln(t)}{t^2+x}dt.

  1. Montrer que I\displaystyle I est bien définie sur R+∗\displaystyle \R_+^*.
  2. Calculer I(1)\displaystyle I(1).
  3. En déduire I(x)\displaystyle I(x), x>0\displaystyle x>0.
  1. Définission intégrale généralisée 👉 Croissance comparée et Intégrale de Riemann ;
  2. Du ln⁡\displaystyle \ln 👉 ln⁡(ab)=ln⁡(a)+ln⁡(b)\displaystyle \ln(ab)=\ln(a)+\ln(b), ln⁡(1/u)=−ln⁡(u)\displaystyle \ln(1/u)=-\ln(u), etc.
    Une intégrale 👉 Changement de variable, IPP ;
  3. Du a2+b2\displaystyle a^2+b^2 au numérateur/dénominateur dans une intégrale 👉 Factoriser par a\displaystyle a ou b\displaystyle b, et faire changement de variable !
  1. Fixons x>0\displaystyle x>0 et posons g(t)=ln⁡(t)t2+x\displaystyle g(t)=\frac{\ln(t)}{t^2+x}. On a ∣g(t)∣≤∣ln⁡(t)∣/x≤Ct−1/2\displaystyle |g(t)|\le |\ln(t)|/x\le C t^{-1/2} sur ]0,1]\displaystyle ]0,1] avec C>0\displaystyle C>0 par croissance comparée. Donc g\displaystyle g est intégrable sur ]0,1]\displaystyle ]0,1] et l’intégrale de g\displaystyle g converge en 0\displaystyle 0.
    De même, l’intégrale est bien convergente en +∞\displaystyle +\infty car ∣g(t)∣≤∣ln⁡(t)∣/t2≤C′t−3/2\displaystyle |g(t)|\le |\ln(t)|/t^2\le C' t^{-3/2} sur [1,+∞]\displaystyle [1,+\infty] avec C′>0\displaystyle C'>0 toujours par croissance comparée.
  2. On a I(1)=∫0∞ln⁡(t)t2+1dt\displaystyle I(1)=\int_0^\infty\frac{\ln(t)}{t^2+1}dt. Faisons le changement de variable t=1/u\displaystyle t=1/u. Alors dt=−du/u2\displaystyle dt=-du/u^2 et on a I(1)=∫+∞0−ln⁡(u)1/u2+1.−duu2=−∫0∞ln⁡(u)1+u2du=−I(1).\begin{aligned} I(1) & = \int_{+\infty}^0\frac{-\ln(u)}{1/u^2+1}.\frac{-du}{u^2} \\ & = -\int_0^\infty\frac{\ln(u)}{1+u^2}du=-I(1).\\ \end{aligned} Donc I(1)=0\displaystyle I(1)=0.
  3. Soit x>0\displaystyle x>0. Suivant nos réflexes, on factorise : I(x)=1x∫0∞ln⁡(t)(t/x)2+1dt.I(x)=\frac1x\int_0^\infty\frac{\ln(t)}{(t/\sqrt{x})^2+1}dt. Le changement de variable est alors téléphoné : u=t/x\displaystyle u=t/\sqrt{x}, i.e. t=ux\displaystyle t=u\sqrt{x}, d’où : I(x)=1x∫0∞ln⁡(ux)u2+1du=1x(I(1)+ln⁡(x)∫0∞duu2+1).\begin{aligned} I(x) & = \frac{1}{\sqrt{x}}\int_0^\infty\frac{\ln(u\sqrt{x})}{u^2+1}du\\ & = \frac{1}{\sqrt{x}}\left(I(1) +\ln(\sqrt{x})\int_0^\infty\frac{du}{u^2+1}\right).\\ \end{aligned} Comme I(1)=0\displaystyle I(1)=0,  ln⁡(x)=12ln⁡(x)\displaystyle \ \ln(\sqrt{x})=\frac12\ln(x) et ∫0∞duu2+1=arctan⁡(+∞)=π2\displaystyle \int_0^\infty\frac{du}{u^2+1}=\arctan(+\infty)=\frac{\pi}{2}, il vient I(x)=π4ln⁡(x)x.I(x)=\frac{\pi}{4}\frac{\ln(x)}{\sqrt{x}}.

Exercice 28 ⭐️⭐️ The Slip-in Trick, Sup/Spé/L2

  1. Montrer que pour tout entier n≥1\displaystyle n\ge1, 2n+1−1n+1≤∫0π/2(1+cos⁡(t))ndt≤2n−1π.\frac{2^{n+1}-1}{n+1}\le \int_0^{\pi/2}(1+\cos(t))^ndt\le 2^{n-1}\pi.
  2. Montrer que ∫x∞e−u2/2du≤e−x2/2x\displaystyle \int_x^\infty e^{-u^2/2}du\le \frac{e^{-x^2/2}}{x} pour tout x>0\displaystyle x>0.

💡 Fais glisser une fonction sous l’intégrale pour pouvoir la calculer.

  1. On ne sait pas intégrer facilement l’intégrande, mais en “glissant” un sinus sous l’intégrale ça devient facile ! On a pour tout x∈[0,π/2]\displaystyle x\in[0,\pi/2], sin⁡(t)(1+cos⁡(t))n≤(1+cos⁡(t))n≤2n,\sin(t)(1+\cos(t))^n\le (1+\cos(t))^n\le 2^n, et on intègre les 3 membres avec ∫0π/2sin⁡(t)(1+cos⁡(t))ndt=[−(1+cos⁡(t))n+1n+1]0π/2=2n+1−1n+1,\int_0^{\pi/2}\sin(t)(1+\cos(t))^ndt=\left[-\frac{(1+\cos(t))^{n+1}}{n+1}\right]_0^{\pi/2}=\frac{2^{n+1}-1}{n+1}, ce qui permet de conclure.
  2. On va “glisser” un u\displaystyle u dans l’intégrale pour calculer facilement :
    ∫x∞e−u2/2du≤1x∫x∞ue−u2/2du=e−x2/2x.\int_x^\infty e^{-u^2/2}du\le \frac{1}{x}\int_x^\infty ue^{-u^2/2}du= \frac{e^{-x^2/2}}{x}.

Exercice 198 ⭐️ CCP

Trouver un équivalent de un=∫0narctan⁡(t)1+tdt\displaystyle u_n = \int_0^n \frac{\arctan(t)}{1+t} dt.

On peut déjà remarquer que l’intégrale n’est pas convergente : la fonction à intégrer est positive et équivalente lorsque t→∞\displaystyle t \to \infty à π2t\displaystyle \frac{\pi}{2t}, qui n’est pas intégrable en +∞\displaystyle +\infty. Cette remarque suggère que “l’intégrale de l’équivalent donne un équivalent de l’intégrale” par intégration des relations de comparaison (que vous trouverez bien résumer en bas de page ici). Ainsi ∫0narctan⁡(t)1+tdt∼π2∫0n11+tdt∼π2ln⁡(n+1)∼π2ln⁡(n)\displaystyle \int_0^n \frac{\arctan(t)}{1+t} dt\sim\frac{\pi}{2}\int_0^n \frac{1}{1+t} dt\sim \frac{\pi}{2} \ln(n+1)\sim \frac{\pi}{2} \ln(n).

On donne ici une solution élémentaire basée sur une jolie formule à savoir.
L’idée est d’écrire que arctan⁡(t)=π/2+(arctan⁡(t)−π/2)\displaystyle \arctan(t)=\pi/2+(\arctan(t)-\pi/2), et de réussir à contrôler le terme d’erreur ∣arctan⁡(t)−π/2∣\displaystyle |\arctan(t)-\pi/2|… On sent déjà venir les découpages d’epsilons ! Mais on est sauvé par une propriété de la fonction arctangente : la belle formule ∀x>0 , arctan⁡(x)+arctan⁡(1/x)=π/2.\forall x >0 \ , \ \arctan(x)+\arctan(1/x) = \pi/2. On prouve cette formule en remarquant que la dérivée de la fonction à gauche, qui est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[, est nulle. On a donc : un=π2∫0ndt1+t−∫0narctan⁡(1/t)1+tdt=π2ln⁡(n+1)−∫0narctan⁡(1/t)1+tdt.u_n = \frac{\pi}{2} \int_0^n \frac{dt}{1+t} - \int_0^n \frac{\arctan(1/t)}{1+t} dt = \frac{\pi}{2} \ln(n+1) - \int_0^n \frac{\arctan(1/t)}{1+t} dt.

On montre maintenant que la fonction f:t↦arctan⁡(1/t)1+t\displaystyle f : t \mapsto \frac{\arctan(1/t)}{1+t} est intégrable sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[. En effet, c’est une fonction continue par morceaux, à valeurs positives. De plus, f\displaystyle f est prolongeable par continuité à gauche en 0\displaystyle 0 avec lim⁡t→0+f(t)=π2\displaystyle \lim_{t \rightarrow 0^+} f(t) = \frac{\pi}{2}. Ceci montre que ∫01f(t)dt<∞\displaystyle \int_0^1 f(t) dt < \infty. Enfin, l’équivalent arctan⁡(x)∼x\displaystyle \arctan(x) \sim x lorsque x→0\displaystyle x \rightarrow 0 montre que f(t)∼1t2\displaystyle f(t) \sim \frac{1}{t^2} lorsque t→∞\displaystyle t \to \infty. Par comparaison avec une fonction intégrable en +∞\displaystyle + \infty, on en déduit que ∫1∞f(t)dt<∞\displaystyle \int_1^\infty f(t) dt < \infty. Donc f\displaystyle f est bien intégrable sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[, ce qui signifie que la suite (In)n≥0=(∫0narctan⁡(1/t)1+tdt)n≥0\displaystyle (I_n)_{n \ge 0} = \left(\int_0^n \frac{\arctan(1/t)}{1+t} dt \right)_{n \ge 0} est convergente. Notons I\displaystyle I sa limite.

Il est maintenant facile de conclure : on a un=π2ln⁡(n+1)+In\displaystyle u_n = \frac{\pi}{2}\ln(n+1)+I_n, donc unπ2ln⁡(n)=ln⁡(n+1)ln⁡(n)+Inπ2ln⁡(n).\frac{u_n}{\frac{\pi}{2} \ln(n)} = \frac{\ln(n+1)}{\ln(n)} + \frac{I_n}{\frac{\pi}{2}\ln(n)}. La première fraction du membre de droite est de limite 1\displaystyle 1, et la deuxième fraction de limite 0\displaystyle 0, on a donc un∼π2ln⁡(n).u_n \sim \frac{\pi}{2}\ln(n).

Exercice 224 ⭐️⭐️ DL et limite d’une intégrale, Sup/L1

Étudier la fonction f(t):=etsin⁡t−1t\displaystyle f(t):=\frac{e^t}{\sin t}-\frac{1}{t}, et en déduire lim⁡x→0+∫x2xetsin⁡tdt.\displaystyle \lim_{x\rightarrow 0^+}\int_x^{2x}\frac{e^t}{\sin t}dt.

  • Mettre au même dénominateur ;
  • DL de exp⁡\displaystyle \exp et sin⁡\displaystyle \sin.

Étudions f\displaystyle f. Elle est bien définie sur I=]0,1]\displaystyle I=]0,1] (par exemple) et continue sur I\displaystyle I. Pour étudier son comportement en 0\displaystyle 0, on utilise les D.L. de exp⁡\displaystyle \exp et sin⁡\displaystyle \sin :
etsin⁡t−1t=tet−sin⁡ttsin⁡t=t(1+t+o(t))−t+o(t2)t2+o(t3)=t2+o(t2)t2+o(t3)∼01.\begin{aligned} \frac{e^t}{\sin t}-\frac{1}{t} & = \frac{te^t-\sin t}{t\sin t}\\ & = \frac{t(1+t+o(t))-t+o(t^2)}{t^2+o(t^3)} \\ & = \frac{t^2+o(t^2)}{t^2+o(t^3)}\sim_0 1. \end{aligned}

On en déduit que f\displaystyle f est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0, et elle est donc bornée sur I\displaystyle I, disons par M>0\displaystyle M>0. D’où, pour 0<x<1/2\displaystyle 0<x<1/2,
∣∫x2xf(t)dt∣≤∫x2xMdt=Mx→x→00.\begin{aligned} \left|\int_x^{2x}f(t)dt\right| & \le \int_x^{2x}Mdt=Mx\xrightarrow[x\to 0]{}0. \end{aligned}

Or ∫x2xf(t)dt=∫x2xetsin⁡tdt−∫x2xdtt\begin{aligned} \int_x^{2x}f(t)dt & = \int_x^{2x}\frac{e^t}{\sin t}dt-\int_x^{2x}\frac{dt}{t} \end{aligned}

et ∫x2xdtt=ln⁡(2x)−ln⁡(x)=ln⁡(2)\displaystyle \int_x^{2x}\frac{dt}{t}=\ln(2x)-\ln(x)=\ln(2), on en déduit que la limite cherchée est ln⁡(2)\displaystyle \ln(2).

Exercice 226 ⭐️ Intégrales convergeant en 0\displaystyle 0, Terminale/Sup/L1

Calculer les limites quand x\displaystyle x tend vers 0\displaystyle 0 de : ∫x1dtt\displaystyle \int_x^1 \frac{dt}{\sqrt{t}} et ∫x1ln⁡(t)dt\displaystyle \int_x^1 \ln(t)dt.

On a ∫x1dtt=[2t]x1=2(1−x)→x→02.\begin{aligned} \int_x^1 \frac{dt}{\sqrt{t}} & = \left[2\sqrt{t}\right]_x^1\\ & = 2(1-\sqrt{x})\xrightarrow[x\to 0]{} 2. \end{aligned}
On connaît aussi une primitive de ln⁡\displaystyle \ln : ∫x1ln⁡(t)dt=[tln⁡(t)−t]x1=−1−xln⁡(x)+x→x→0−1.\begin{aligned} \int_x^1 \ln(t)dt & = [t\ln(t)-t]_x^1\\ & = -1-x\ln(x)+x\xrightarrow[x\to 0]{} -1.\\ \end{aligned}

Exercice 227 ⭐️⭐️ ∫01ln⁡(t)1−tdt\displaystyle \int_0^1 \frac{\ln(t)}{1-t}dt, Sup/Spé/L2

Calculer I=∫01ln⁡(t)1−tdt\displaystyle I=\int_0^1 \frac{\ln(t)}{1-t}dt.

11−t\displaystyle \frac{1}{1-t} 👉 Série géométrique !

On note que ln⁡(t)1−t∼t→0ln⁡(t)\displaystyle \frac{\ln(t)}{1-t}\sim_{t\to 0} \ln(t) et ln⁡(t)1−t→t→0−1\displaystyle \frac{\ln(t)}{1-t}\xrightarrow[]{t\to 0} -1, donc I\displaystyle I est bien définie.
On s’empresse maintenant d’écrire 11−t=∑k=0ntk+tn+11−t\displaystyle \frac{1}{1-t}=\sum_{k=0}^n t^k + \frac{t^{n+1}}{1-t} pour t∈[0,1[\displaystyle t\in[0,1[. Donc I=∑k=0nIk+Jn\displaystyle I=\sum_{k=0}^n I_k +J_n avec Ik=∫01tkln⁡(t)dt\displaystyle I_k=\int_0^1 t^k\ln(t)dt et Jn=∫01tn+11−tln⁡(t)dt\displaystyle J_n=\int_0^1 \frac{t^{n+1}}{1-t}\ln(t)dt. Par intégration par partie, on a Ik=1k+1[tk+1ln⁡(t)]01−1k+1∫01tk+1dtt=−1(k+1)2\displaystyle I_k=\frac{1}{k+1}[t^{k+1}\ln(t)]_0^1 -\frac{1}{k+1}\int_0^1 t^{k+1}\frac{dt}{t}=-\frac{1}{(k+1)^2}. La fonction t↦t1−tln⁡(t)\displaystyle t\mapsto \frac{t}{1-t}\ln(t), continue sur ]0,1[\displaystyle ]0,1[ est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0 et en 1\displaystyle 1, donc est bornée sur [0,1]\displaystyle [0,1], disons par M>0\displaystyle M>0. Ainsi ∣Jn∣≤M∫01tndt=Mn+1→0\displaystyle |J_n|\le M\int_0^1 t^ndt=\frac{M}{n+1}\to 0 quand n→∞\displaystyle n\to\infty.
On en déduit que I=−∑k=0∞1(k+1)2=−π26\displaystyle I=-\sum_{k=0}^\infty\frac{1}{(k+1)^2}=-\frac{\pi^2}{6}.

Exercice 239 ⭐️⭐️ Logarithme intégral, Spé/L2

Soit Li(x)=∫2xdtln⁡(t)\displaystyle Li(x)=\int_2^x\frac{dt}{\ln(t)} la fonction logarithme intégral définie pour x≥2\displaystyle x\ge2. Montrer qu’on a le développement assymptotique suivant, à n\displaystyle n entier fixé, quand x→∞\displaystyle x\to\infty :
Li(x)=xln⁡(x)+1!xln⁡2(x)+2!xln⁡3(x)+⋯   ⋯+n!xln⁡n+1(x)+o(xln⁡n+1(x)).\begin{aligned} Li(x)& = \frac{x}{\ln(x)}+\frac{1!x}{\ln^2(x)}+\frac{2!x}{\ln^3(x)}+\cdots\\ & \ \ \ \cdots+\frac{n!x}{\ln^{n+1}(x)}+o\left(\frac{x}{\ln^{n+1}(x)}\right).\\ \end{aligned}
Culture — Pourquoi cette fonction est-elle célèbre en théorie des nombres ?

  • IPP !
  • Intégration des relations de comparaison.

Par une IPP, on a ∫2xdtln⁡(t)=[tln⁡(t)]2x+∫2xdtln⁡2(t)\displaystyle \int_2^x\frac{dt}{\ln(t)}=\left[\frac{t}{\ln(t)}\right]_2^x+\int_2^x\frac{dt}{\ln^2(t)}. Après (n−1)\displaystyle (n-1) IPP, on obtient
Li(x)=[tln⁡(t)]2x+1![tln⁡2(t)]2x+⋯⋯+(n−1)![tln⁡n(t)]2x+n!∫2xdtln⁡n+1(t).\begin{aligned} Li(x) & = \left[\frac{t}{\ln(t)}\right]_2^x+1!\left[\frac{t}{\ln^2(t)}\right]_2^x+\cdots \\ & \quad \cdots +(n-1)!\left[\frac{t}{\ln^n(t)}\right]_2^x+n!\int_2^x\frac{dt}{\ln^{n+1}(t)}. \end{aligned} On remarque que ddttln⁡n+1(t)=1ln⁡n+1(t)−n+1ln⁡n+2(t)∼∞1ln⁡n+1(t).\frac{d}{dt}\frac{t}{\ln^{n+1}(t)}=\frac{1}{\ln^{n+1}(t)}-\frac{n+1}{\ln^{n+2}(t)}\sim_\infty \frac{1}{\ln^{n+1}(t)}. Comme l’intégrale entre 2\displaystyle 2 et x\displaystyle x du dernier membre est divergente quand x→∞\displaystyle x\to\infty, on peut intégrer entre 2\displaystyle 2 et x\displaystyle x les équivalents. On en déduit alors que ∫2xdtln⁡n+1(t)∼x→∞xln⁡n+1(x)\displaystyle \int_2^x\frac{dt}{\ln^{n+1}(t)}\sim_{x\to\infty} \frac{x}{\ln^{n+1}(x)}, ce qui permet de conclure.

Exercice 240 ⭐️⭐️⭐️ ∫0π/2ln⁡(sin⁡(x))dx\displaystyle \int_0^{\pi/2} \ln(\sin(x))dx, Spé/L2/Classique

Calculer J=∫0π/2ln⁡(sin⁡(x))dx\displaystyle J=\int_0^{\pi/2} \ln(\sin(x))dx, après avoir montré que l’intégrale converge.

  • Fonction sin⁡\displaystyle \sin, intégration sur (0,π/2)\displaystyle (0,\pi/2), … 👉 Formules trigo, changement de variable ;
  • ln⁡\displaystyle \ln 👉 ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\displaystyle \ln(ab)=\ln a+\ln b.

L’intégrale est impropre en 0\displaystyle 0 mais converge car ∫επ/2ln⁡(2πx)dx≤∫επ/2ln⁡(sin⁡(x))dx\displaystyle \int_\epsilon^{\pi/2} \ln\left(\frac{2}{\pi}x\right)dx\le\int_\epsilon^{\pi/2} \ln(\sin(x))dx et ε↦∫επ/2ln⁡(sin⁡(x))dx\displaystyle \epsilon\mapsto \int_\epsilon^{\pi/2} \ln(\sin(x))dx est croissante minorée par la limite de ∫επ/2ln⁡(2πx)dx\displaystyle \int_\epsilon^{\pi/2} \ln\left(\frac{2}{\pi}x\right)dx quand ε\displaystyle \epsilon tend vers 0\displaystyle 0. Pour le calcul, utilisons des changements de variable, d’abord x=2u\displaystyle x=2u :
J=2∫0π4ln⁡(sin⁡(2u))du=2∫0π4ln⁡(2sin⁡(u)cos⁡(u))du=π2ln⁡2+2∫0π4ln⁡(sin⁡(u))du+2∫0π4ln⁡(cos⁡(u))du\begin{aligned} J& = 2 \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\sin(2u))du\\ & = 2\int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(2\sin(u)\cos(u))du\\ & = \frac{\pi}{2}\ln 2+2\int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\sin(u))du+2\int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\cos(u))du \end{aligned} puis v=π/2−x\displaystyle v=\pi/2-x :
∫0π4ln⁡(cos⁡(x))dx=∫0π4ln⁡(sin⁡(π/2−x))dx=−∫π/2π4ln⁡(sin⁡(x))dx,\begin{aligned} \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\cos(x))dx & = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln(\sin(\pi/2-x))dx\\ & = -\int_{\pi/2}^{\frac{\pi}{4}} \ln(\sin(x))dx,\\ \end{aligned} d’où J=π2ln⁡2+2J\displaystyle J=\frac{\pi}{2}\ln 2+2J et J=−π2ln⁡2\displaystyle J=-\frac{\pi}{2}\ln 2.

On pourra regarder cette jolie video du blog Math-OS pour des liens entre cette intégrale, des sommes de Riemann et des produits de sin⁡(kπ/n)\displaystyle \sin(k\pi/n).

Exercice 250 ⭐️⭐️⭐️ ∫01t−1ln⁡tdt\displaystyle \int_0^1 \frac{t-1}{\ln t}dt, Spé/L2

Calculer I=∫01t−1ln⁡tdt\displaystyle I=\int_0^1 \frac{t-1}{\ln t}dt. On étudiera les fonctions I(x)=∫0xt−1ln⁡tdt\displaystyle I(x)=\int_0^x\frac{t-1}{\ln t}dt et J(x)=∫xx2dtln⁡t\displaystyle J(x)=\int_x^{x^2}\frac{dt}{\ln t}.

Intégrale jusqu’à x\displaystyle x d’une fonction continue 👉 C1\displaystyle C^1 et on dérive !

Montrons que I\displaystyle I est bien définie. Posons g(t)=t−1ln⁡t\displaystyle g(t)=\frac{t-1}{\ln t} pour 0<t<1\displaystyle 0<t<1. On a g(t)→t→00\displaystyle g(t)\xrightarrow[t\to 0]{} 0 et g(t)→t→11\displaystyle g(t)\xrightarrow[t\to 1]{} 1 car ln⁡(t)−ln⁡(1)t−1→t→11\displaystyle \frac{\ln(t)-\ln(1)}{t-1}\xrightarrow[t\to 1]{} 1. Donc g\displaystyle g est prolongeable par continuité sur [0,1]\displaystyle [0,1], et donc I\displaystyle I est bien définie.

Comme g\displaystyle g est continue sur [0,1[\displaystyle [0,1[, I\displaystyle I est C1([0,1[)\displaystyle C^1([0,1[). Comme 1/ln⁡t→0\displaystyle 1/\ln t \to 0 quand t→0\displaystyle t\to 0, on peut écrire J(x)=∫0x2dtln⁡t−∫0xdtln⁡t\displaystyle J(x)=\int_0^{x^2}\frac{dt}{\ln t}-\int_0^{x}\frac{dt}{\ln t}, et donc J\displaystyle J est aussi C1([0,1[)\displaystyle C^1([0,1[). On a alors I′(x)= x−1ln⁡xJ′(x)= 2xln⁡(x2)−1ln⁡x,\begin{aligned} I'(x) = & \ \frac{x-1}{\ln x} \\ J'(x) = & \ \frac{2x}{\ln (x^2)}-\frac{1}{\ln x}, \end{aligned} et donc I′(x)=J′(x)\displaystyle I'(x)=J'(x) pour tout x∈[0,1[\displaystyle x\in[0,1[. Comme I(0)=J(0)\displaystyle I(0)=J(0), on en déduit que I(x)=J(x)\displaystyle I(x)=J(x) pour tout x∈[0,1[\displaystyle x\in[0,1[.
Pour trouver I\displaystyle I, il suffit de trouver la limite de J(x)\displaystyle J(x) quand x→1\displaystyle x\to 1. On ne sait pas intégrer 1/ln⁡t\displaystyle 1/\ln t mais on connaît une primitive de 1/(tln⁡t)\displaystyle 1/(t\ln t) qui est une fonction assez proche quand t\displaystyle t est proche de 1\displaystyle 1. Posons donc D(x)=J(x)−∫xx2dttln⁡t=∫xx2(1ln⁡t−1tln⁡t)dt.D(x)=J(x)-\int_x^{x^2}\frac{dt}{t\ln t}=\int_x^{x^2}\left(\frac{1}{\ln t}-\frac{1}{t\ln t}\right)dt. On a h(t)=1ln⁡t−1tln⁡t=t−1tln⁡t=g(t)t→t→11\displaystyle h(t)=\frac{1}{\ln t}-\frac{1}{t\ln t}=\frac{t-1}{t\ln t}=\frac{g(t)}{t}\xrightarrow[t\to 1]{} 1, donc h\displaystyle h est bornée, disons par M\displaystyle M, au voisinage de 1\displaystyle 1 (en fait sur tout l’intervalle [0,1]\displaystyle [0,1] car h\displaystyle h est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0 aussi). Ainsi ∣D(x)∣≤M∣x2−x∣→x→10\displaystyle |D(x)|\le M|x^2-x|\xrightarrow[x\to 1]{} 0. Or ∫xx2dttln⁡t=[ln⁡(ln⁡t)]xx2=ln⁡(ln⁡(x2)ln⁡x)=ln⁡2,\int_x^{x^2}\frac{dt}{t\ln t}=[\ln(\ln t)]_x^{x^2}=\ln\left(\frac{\ln(x^2)}{\ln x}\right)=\ln 2, donc J(x)→x→1ln⁡2.\displaystyle J(x)\xrightarrow[x\to 1]{} \ln 2. Finalement I=lim⁡x→1I(x)=lim⁡x→1J(x)=ln⁡2.I=\lim_{x\to 1}I(x)=\lim_{x\to 1}J(x)=\ln 2.

Exercice 251 ⭐️⭐️⭐️ Intégrale, ln⁡\displaystyle \ln et ζ(3)\displaystyle \zeta(3), Sup/Spé/L2/L3

Montrer que I=∫01ln⁡t ln⁡(1−t)tdt=∑n≥11k3=ζ(3).\displaystyle I=\int_0^1 \frac{\ln t\ \ln(1-t)}{t}dt=\sum_{n\ge 1}\frac{1}{k^3}=\zeta(3).

Développement de ln⁡(1−t)\displaystyle \ln(1-t) en série (entière).

Montrons que l’intégrale est bien définie. On sait que t↦ln⁡(1−t)t\displaystyle t\mapsto \frac{\ln(1-t)}{t} est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0 (c’est la limite d’un taux d’accroissement d’une fonction dérivable), t↦ln⁡t\displaystyle t\mapsto \ln t est intégrable en 0\displaystyle 0, et t↦ln⁡(1−t)\displaystyle t\mapsto \ln(1-t) est intégrable en 1\displaystyle 1. Donc I\displaystyle I est bien définie et I(x):=∫0xln⁡t ln⁡(1−t)tdt→x→1I\displaystyle I(x):=\int_0^x \frac{\ln t\ \ln(1-t)}{t}dt\xrightarrow[x\to1]{}I.
Preuve niveau MP/L3 :
On utilise le théorème d’intégration terme à terme, ou le théorème de convergence monotone pour écrire, avec le DSE de ln⁡(1−t)\displaystyle \ln(1-t) sur [0,1[\displaystyle [0,1[ :
∫01ln⁡t ln⁡(1−t)tdt=∫01(−ln⁡t)∑k=1∞tkkdtt=∑k=1∞1k∫01(−ln⁡t)tk−1dt=∑n≥11k3,\int_0^1 \frac{\ln t\ \ln(1-t)}{t}dt=\int_0^1(-\ln t)\sum_{k=1}^{\infty}\frac{t^k}{k}\frac{dt}{t}=\sum_{k=1}^{\infty}\frac1k\int_0^1(-\ln t)t^{k-1}dt=\sum_{n\ge 1}\frac{1}{k^3}, car (−ln⁡t)tk≥0\displaystyle (-\ln t)t^k\ge0 sur ]0,1]\displaystyle ]0,1] et par IPP ∫01(−ln⁡t)tk−1dt=[(−ln⁡t)tkk]01+1k∫01tk−1dt=1k2\displaystyle \int_0^1(-\ln t)t^{k-1}dt=[(-\ln t)\frac{t^k}{k}]_0^1+\frac1k\int_0^1 t^{k-1}dt=\frac{1}{k^2}.

Preuve niveau Sup/L2 :
On a 11−t=∑k=0n−1tk+tn1−t\displaystyle \frac{1}{1-t}=\sum_{k=0}^{n-1}t^k+\frac{t^n}{1-t}. D’où −ln⁡(1−t)=∑k=1ntkk+∫0tun1−udu\displaystyle -\ln(1-t)=\sum_{k=1}^{n}\frac{t^k}{k}+\int_0^t\frac{u^n}{1-u}du, et pour 0<x<1\displaystyle 0<x<1, I(x)=∑k=1n1k∫0x(−ln⁡t)tk−1dt+∫0x(−ln⁡t)∫0tun1−ududtt.I(x)=\sum_{k=1}^{n}\frac1k\int_0^x(-\ln t)t^{k-1}dt+\int_0^x(-\ln t)\int_0^t\frac{u^n}{1-u}du\frac{dt}{t}. On pose pour 0<x<1\displaystyle 0<x<1, Lk(x)=∫0x(−ln⁡t)tk−1dt≥0\displaystyle L_k(x)=\int_0^x(-\ln t)t^{k-1}dt\ge 0. On remarque que Lk\displaystyle L_k est une fonction croissante, et donc (avec une IPP et croissance comparée) Lk(x)≤Lk(1)=[(−ln⁡t)tkk]01+1k∫01tk−1dt=1k2\displaystyle L_k(x)\le L_k(1)=[(-\ln t)\frac{t^k}{k}]_0^1+\frac1k\int_0^1 t^{k-1}dt=\frac{1}{k^2}. De plus Lk\displaystyle L_k est prolongeable par continuité en 1\displaystyle 1 : Lk(x)→x→1Lk(1)=1k2\displaystyle L_k(x)\xrightarrow[x\to1]{}L_k(1)=\frac{1}{k^2}. Comme Rn(x):=∫0x(−ln⁡t)∫0tun1−ududtt≥0\displaystyle R_n(x):=\int_0^x(-\ln t)\int_0^t\frac{u^n}{1-u}du\frac{dt}{t}\ge0, on en déduit que pour tout x∈]0,1[\displaystyle x\in]0,1[, pour tout n≥1\displaystyle n\ge1, ∑k=1nLk(x)k≤I(x).\sum_{k=1}^{n}\frac{L_k(x)}{k}\le I(x). On passe alors à la limite en x\displaystyle x dans cette inégalité et on obtient que pour tout n≥1\displaystyle n\ge1, ∑k=1n1k3≤I\displaystyle \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^3}\le I, et par passage à la limite en n\displaystyle n puisque la série converge : ∑k=1∞1k3≤I\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^3}\le I.
Enfin on a pour tout x∈]0,1[\displaystyle x\in]0,1[, pour tout n≥1\displaystyle n\ge1, I(x)≤∑k=1nLk(x)k+Rn(x)≤∑k=1n1k3+Rn(x),I(x)\le \sum_{k=1}^{n}\frac{L_k(x)}{k}+R_n(x)\le \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k^3}+R_n(x), avec 0≤Rn(x)≤11−x∫0x(−ln⁡t)tn+1n+1dtt≤∫01∣ln⁡t∣dt(n+1)(1−x)\displaystyle 0\le R_n(x)\le \frac{1}{1-x}\int_0^x(-\ln t)\frac{t^{n+1}}{n+1}\frac{dt}{t}\le\frac{\int_0^1|\ln t|dt}{(n+1)(1-x)} car 0≤tn≤xn<1\displaystyle 0\le t^n\le x^n<1 et t↦ln⁡t\displaystyle t\mapsto \ln t est intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Par passage à la limite en n\displaystyle n à x\displaystyle x fixé, on obtient alors I(x)≤∑k=1∞1k3\displaystyle I(x)\le \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^3}. Il suffit de passer maintenant à la limite en x\displaystyle x pour avoir I≤∑k=1∞1k3\displaystyle I\le \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^3}, ce qui permet de conclure.

Exercice 261 ⭐️⭐️ ENS MP 2019

Calculer I=∫01xxdx\displaystyle I=\int_0^1 x^xdx.

  • ax\displaystyle a^x 👉 Écriture exln⁡a\displaystyle e^{x\ln a} ;
  • Développement en série de l’exponentielle.

On écrit f(x)=xx=exln⁡x\displaystyle f(x)=x^x=e^{x\ln x}. Comme xln⁡x→x→00\displaystyle x\ln x \xrightarrow[x\to 0]{}0, on voit que f\displaystyle f est prolongeable en 0\displaystyle 0. On en déduit que I\displaystyle I est bien définie car f\displaystyle f est de plus continue sur ]0,1]\displaystyle ]0,1]. Développons f\displaystyle f en série entière pour 0<x≤1\displaystyle 0<x\le 1 : f(x)=∑n=0∞(xln⁡x)nn!.f(x)=\sum_{n=0}^\infty \frac{(x\ln x)^n}{n!}. Pour calculer I\displaystyle I, il est tentant d’intervertir somme et intégrale. Calculons d’abord Jn=∫01(xln⁡x)ndx\displaystyle J_n=\int_0^1(x\ln x)^n dx. Avec les changements de variable x=eu\displaystyle x=e^u puis v=(n+1)u\displaystyle v=(n+1)u et v→−v\displaystyle v\to -v, on obtient Jn=∫−∞0une(n+1)udu=1(n+1)n+1∫−∞0vnevdu=(−1)n(n+1)n+1Γ(n+1).\begin{aligned} J_n= & \int_{-\infty}^0 u^ne^{(n+1)u}du \\ =& \frac{1}{(n+1)^{n+1}}\int_{-\infty}^0v^ne^vdu\\ = & \frac{(-1)^n}{(n+1)^{n+1}}\Gamma(n+1).\end{aligned} On remarque alors que ∣Jn∣n!=1(n+1)n+1\displaystyle \frac{|J_n|}{n!}=\frac{1}{(n+1)^{n+1}} et que ∑n=0∞1(n+1)n+1<∞\displaystyle \sum_{n=0}^\infty \frac{1}{(n+1)^{n+1}}<\infty. On peut donc appliquer le théorème d’intégration terme à terme pour obtenir : I=∑n=0∞Jnn!=∑n=0∞(−1)n(n+1)n+1=∑n=1∞(−1)n−1nn.I=\sum_{n=0}^\infty\frac{J_n}{n!}=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(n+1)^{n+1}}=\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n^n}.

Exercice 292 ⭐️⭐️⭐️ Sup/L1

Calculer les primitives suivantes : ∫sh⁡x(1+ch⁡x)1/3dx\displaystyle \int \frac{\sh x}{(1+\ch x)^{1/3}} dx.

Exercice 424 ⭐️⭐️ ∫0π/2tan⁡θ dθ\displaystyle \int_0^{\pi/2}\sqrt{\tan \theta}\ d\theta, Sup/Spé/L2/L3

Montrer que I=∫0π/2tan⁡θ dθ=π2\displaystyle I=\int_0^{\pi/2}\sqrt{\tan \theta}\ d\theta=\frac{\pi}{\sqrt{2}}.

Changement de variable !

  • Essayer brutalement t=tan⁡θ\displaystyle t=\sqrt{\tan\theta} ;
  • Si on obtient une fraction rationnelle 👉 Décomposition en éléments simples ;
  • Fonction Beta avec des changements de variable x=sin⁡2θ\displaystyle x=\sin^2\theta.

On tente t=tan⁡θ\displaystyle t=\sqrt{\tan\theta}. Alors θ=arctan⁡(t2)\displaystyle \theta=\arctan(t^2) et dθ=2t1+t4dt\displaystyle d\theta=\frac{2t}{1+t^4}dt. Donc I=2∫0∞t21+t4dt.I=2\int_0^\infty\frac{t^2}{1+t^4}dt. On peut alors décomposer cette fraction rationnelle en éléments simples dans C\displaystyle \C puis dans R\displaystyle \R. C’est un peu lourd mais ça donne le résultat. Au niveau L3, on utilisera bien sûr le théorème des résidus, les pôles de 11+z4\displaystyle \frac{1}{1+z^4} étant les racines 4e\displaystyle 4^e de −1\displaystyle -1.

Mais Marius veut de la fonction Beta B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1dt\displaystyle B(x,y)=\int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}dt, x,y>0\displaystyle x,y>0, et de la fonction Gamma Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt\displaystyle \Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}dt, x>0\displaystyle x>0. Alors on pose t=sin⁡2θ\displaystyle t=\sin^2\theta, d’où dt=2cos⁡θsin⁡θ\displaystyle dt=2\cos \theta \sin \theta, et B(x,y)=2∫0π/2(sin⁡θ)2x−1(cos⁡θ)2y−1dθ.B(x,y)=2\int_0^{\pi/2}(\sin\theta)^{2x-1}(\cos\theta)^{2y-1}d\theta. On remarque alors que I=12B(34,14)\displaystyle I=\frac12 B\left(\frac34,\frac14\right). D’où, avec la célèbre formule B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y)\displaystyle B(x,y)=\frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)} et la formule des compléments Γ(s)Γ(1−s)=πsin⁡(πs)\displaystyle \Gamma(s)\Gamma(1-s)=\frac{\pi}{\sin(\pi s)} :
I=12Γ(34)Γ(14)Γ(1)=π2sin⁡π4=π2.\begin{aligned} I&=\frac12\frac{\Gamma(\frac34)\Gamma(\frac14)}{\Gamma(1)} \\ &=\frac{\pi}{2\sin{\frac{\pi}{4}}}\\ &=\frac{\pi}{\sqrt{2}}.\end{aligned}

Exercice 482 ⭐️⭐️⭐️⭐️ Conservation de la mesure, ENS, Spé/L3

Soit E=C0([0,1],[0,1])\displaystyle E=\mathcal{C}^0([0,1],[0,1]). On dit qu’une fonction u∈E\displaystyle u \in E conserve la mesure si :

∀φ∈E , ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E}\ , \ \int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt.

  1. Montrer que si u∈E\displaystyle u\in{E} conserve la mesure alors u([0,1])=[0,1]\displaystyle u([0,1])=[0,1]. Donner un exemple d’un tel u\displaystyle u.
  2. Soit u∈E\displaystyle u\in{E} une fonction de classe C1\displaystyle \cal{C}^1 par morceaux qui conserve la mesure, telle que sur chaque morceau u′\displaystyle u' soit de signe constant et ne s’y annule pas. Montrer que : ∀y∈[0,1],∑x∣u(x)=y1∣u′(x)∣=1\forall{y}\in{[0,1]}, \sum_{x|u(x)=y} \frac{1}{|u'(x)|}=1
  3. Soit F:R+→R+\displaystyle F : \mathbb{R}^+\rightarrow \mathbb{R}^+ continue, croissante et convexe. On pose n(y)=Card(x∣u(x)=y)\displaystyle n(y)={\rm Card}(x|u(x)=y). Montrer que : ∫[0,1](F∘∣u′∣)(t)dt≥∫[0,1](F∘n)(t)dt.\int_{[0,1]}(F\circ |u'|)(t)dt\geq\int_{[0,1]}(F\circ n)(t)dt.

(Amicalement transmis et rédigé par Killian Le Milbeau 🙏, CPGE Chateaubriand)

  1. Soit u∈E\displaystyle u\in{E}. Alors u est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Or l’image d’une fonction continue par un segment est un segment. Donc, u([0,1])=[a,b]\displaystyle u([0,1])=[a,b] où 0≤a≤b≤1\displaystyle 0\leq{a}\leq{b}\leq{1}.
    Raisonnons par l’absurde. Supposons que a>0\displaystyle a>0 ou b<1\displaystyle b<1. On sait que u\displaystyle u conserve la mesure, donc
    ∀φ∈E,∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E},\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt.
    Prenon une telle fonction φ\displaystyle \varphi, que l’on définit comme nulle sur [a,b]\displaystyle [a,b] et strictement positive sur [0,a[∪]b,1]\displaystyle [0,a[\cup]b,1]. Alors :
    (φ∘u)([0,1])=φ([a,b])={0}.(\varphi\circ u)([0,1])=\varphi([a,b])=\{0\}. D’où
    ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=0≠∫[0,1]φ(t)dt.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=0 \neq \int_{[0,1]}\varphi(t)dt. car ∫[0,1]φ(t)dt=∫[0,a[φ(t)dt+∫]b,1]φ(t)dt>0.\int_{[0,1]}\varphi(t)dt=\int_{[0,a[}\varphi(t)dt+\int_{]b,1]}\varphi(t)dt>0. Cela contredit le fait que u\displaystyle u conserve la mesure. Ainsi a=0\displaystyle a=0 et b=1\displaystyle b=1.
    Et donc, u([0,1])=[0,1]\displaystyle u([0,1])=[0,1]. Autrement dit, u\displaystyle u est surjective.

  2. Soit u∈E\displaystyle u\in{E} une telle fonction. Comme u\displaystyle u conserve la mesure :
    ∀φ∈E,∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∫[0,1]φ(t)dt.\forall{\varphi}\in{E},\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\int_{[0,1]}\varphi(t)dt. Cette égalité est en particulier vraie pour une fonction φ∈E\displaystyle \varphi\in{E} à support compact et telle que ∫[0,1]φ(t)dt=1\displaystyle \int_{[0,1]}\varphi(t)dt=1. Prenons donc une telle fonction φ\displaystyle \varphi.
    ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=1.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=1.
    Traitons maintenant cette dernière intégrale, notre but étant de faire apparaitre la somme demandée. La fonction u\displaystyle u est continue sur [0,1]\displaystyle [0,1] et C1\displaystyle \cal{C}^1 par morceaux.
    Donc, on peut diviser le segment [0,1]\displaystyle [0,1] en segments [ai,ai+1]\displaystyle [a_i,a_{i+1}], sur lesquels u′\displaystyle u' est continue, de signe constant et ne s’annule pas.
    Ainsi, par le relation de Chasles :
    ∫[0,1](φ∘u)(t)dt=∑i∫[ai,ai+1](φ∘u)(t)dt=1.\int_{[0,1]}(\varphi\circ u)(t)dt=\sum_{i}\int_{[a_i,a_{i+1}]}(\varphi\circ u)(t)dt=1.

Pour tout 0≤i≤n−1\displaystyle 0 \le i \le n-1, la fonction u\displaystyle u établit une bijection (croissante ou décroissante) entre l’intervalle ]ai,ai+1[\displaystyle ]a_i, a_{i+1}[ et un autre intervalle noté ]bi,bi+1[\displaystyle ]b_i,b_{i+1}[. De plus, d’après la première question, chaque x∈[0,1]\displaystyle x \in [0,1] appartient au moins à un intervalle ]bi,bi+1[\displaystyle ]b_i,b_{i+1}[.

On va à présent s’occuper de l’intégrale. Sur chaque intervalle ]ai,ai+1[\displaystyle ]a_i,a_{i+1}[ on effectue une changement de variable en x=u(t)\displaystyle x=u(t). Ce qui nous donne dx=u′(t)dt\displaystyle dx=u'(t) dt et de nouvelles bornes bi\displaystyle b_i et bi+1\displaystyle b_{i+1}. Ainsi :
∫aiai+1(φ∘u)(t)dt=∫bibi+1φ(x)∣(u′∘u−1)(x)∣dx=∫01φ(x)∣(u′∘u−1)(x)∣1x∈]bi,bi+1[dx. \begin{aligned} \int_{a_i}^{a_{i+1}}(\varphi\circ u)(t)dt&=\int_{b_i}^{b_{i+1}} \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|}dx \\ &= \int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u'\circ u^{-1})(x)|} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} dx. \end{aligned}

Par la relation de Chasles :
∫01(φ∘u)(t)dt=∑i=0n−1∫aiai+1(φ∘u)(t)dt=∑i=0n−1∫01φ(x)∣(u′∘u−1)(x)∣1x∈]bi,bi+1[dx=∫01φ(x)∣(u′∘u−1)(x)∣(∑i=0n−11x∈]bi,bi+1[)dx.\begin{aligned} \int_0^1 (\varphi \circ u)(t) dt &= \sum_{i=0}^{n-1} \int_{a_i}^{a_{i+1}} (\varphi \circ u)(t) dt\\ &= \sum_{i=0}^{n-1}\int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} dx\\ &= \int_0^1 \frac{\varphi(x)}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} \left( \sum_{i=0}^{n-1} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} \right) dx. \end{aligned}

On note N(x)=1∣(u′∘u−1)(x)∣(∑i=0n−11x∈]bi,bi+1[).N(x) = \frac{1}{|(u' \circ u^{-1})(x)|} \left( \sum_{i=0}^{n-1} 1_{x \in ]b_i,b_{i+1}[} \right). On a N(u(y))=1∣u′(y)∣Card{0≤i≤n−1:u(y)∈]bi,bi+1[}=1∣u′(y)∣Card{x∈[0,1]:u(y)=x}.\begin{aligned} N(u(y)) &= \frac{1}{|u'(y)|} {\rm Card}\left\{0 \le i \le n-1 : u(y) \in ]b_i,b_{i+1}[\right\}\\ &= \frac{1}{|u'(y)|} {\rm Card}\left\{x \in [0,1]: u(y) = x\right\} .\end{aligned}
Pour la dernière égalité on a utilisé le fait que u\displaystyle u est surjective sur chacun des intervalles ]ai,ai+1[.\displaystyle ]a_i,a_{i+1}[.

Pour répondre à la question (et sachant que u\displaystyle u est surjective de [0,1]\displaystyle [0,1] dans [0,1]\displaystyle [0,1]), il suffit donc de montrer que la fonction N\displaystyle N est identiquement égale à 1\displaystyle 1. Or on sait que :
∀φ∈E , ∫01φ(t)dt=∫01φ(x)N(x)dx.\forall \varphi \in E \ , \ \int_0^1 \varphi(t) dt = \int_0^1 \varphi(x) N(x) dx.

On peut se “convaincre” (sûrement une preuve rigoureuse serait délicate) que la fonction N\displaystyle N est continue par morceaux sur [0,1]\displaystyle [0,1]. Pour montrer que N=1\displaystyle N = 1, il suffit alors de montrer que ∫01(N(x)−1)2dx=0\displaystyle \int_0^1 (N(x)-1)^2 dx = 0. En développant le carré, on voit qu’il suffit de montrer que ∫01N(x)2dx−2∫01N(x)dx+1=0.\int_0^1 N(x)^2 dx - 2 \int_0^1 N(x) dx +1 = 0. En choisissant ϕ(x)=1−N(x)\displaystyle \phi(x) = 1-N(x), on obtient le résultat voulu !

La fonction φ\displaystyle \varphi n’est pas forcément continue me direz-vous… J’ai trop faim pour rédiger les détails…

  1. ça sent Jensen. On va y réfléchir.

Exercice 494 ⭐️⭐️ Intégrale de Poisson, Somme de Riemann, Mines PSI, Sup/L1/Classique

Soit n\displaystyle n un entier ≥1\displaystyle \ge1 et x\displaystyle x un réel ≠±1\displaystyle \neq\pm1. On pose :
Qn(x)=∏k=0n−1(x2−2xcos⁡(kπn)+1)I(x)=∫0πln⁡(x2−2xcos⁡t+1)dt.\begin{aligned} Q_n(x)& = \prod_{k=0}^{n-1} \left(x^2-2x\cos\left(\frac{k\pi}{n}\right)+1\right)\\ I(x) & = \int_0^\pi\ln(x^2-2x\cos t +1)dt.\\ \end{aligned}

  1. Montrer que Qn(x)=x−1x+1(x2n−1)\displaystyle Q_n(x)=\frac{x-1}{x+1}(x^{2n}-1), x≠−1\displaystyle x\neq -1.
  2. Montrer que I(x)\displaystyle I(x), x≠±1\displaystyle x\neq\pm 1, est bien définie.
  3. Calculer I(x)\displaystyle I(x).
  • Du log⁡\displaystyle \log 👉 penser à ln⁡(ab)=ln⁡a+ln⁡b\displaystyle \ln(ab)=\ln a+\ln b, a,b>0\displaystyle a,b>0 ;
  • Du log⁡\displaystyle \log, un produit, donc une somme, une subdivision xk=πkn\displaystyle x_k=\pi \frac{k}{n}, une intégrale 👉 Somme de Riemann !
  1. Les e2iπk2n=eiπkn\displaystyle e^{2i\pi \frac{k}{2n}}=e^{i\pi \frac{k}{n}}, 0≤k≤2n−1\displaystyle 0\le k\le2n-1, sont toutes les racines 2n\displaystyle 2n-ième de l’unité, et on a donc la factorisation x2n−1=∏k=02n−1(x−eiπkn).x^{2n}-1=\prod_{k=0}^{2n-1}\left(x-e^{i\pi \frac{k}{n}}\right). Pour les racines indexées par n≤k≤2n−1\displaystyle n\le k\le 2n-1, on peut réécrire un peu les choses en posant k=2n−q\displaystyle k=2n-q, 1≤q≤n\displaystyle 1\le q\le n, i.e. x2n−1=∏k=0n−1(x−eiπkn)∏q=1n(x−e−iπqn).x^{2n}-1=\prod_{k=0}^{n-1}\left(x-e^{i\pi \frac{k}{n}}\right)\prod_{q=1}^{n}\left(x-e^{-i\pi \frac{q}{n}}\right). Pour se recaler sur k=0,⋯ ,n−1\displaystyle k=0,\cdots,n-1, il faut rajouter-enlever q=0\displaystyle q=0, i.e. le terme x−1\displaystyle x-1, et on a en plus le terme q=n\displaystyle q=n, i.e. x+1\displaystyle x+1. En renommant q\displaystyle q par k\displaystyle k, il vient alors : x2n−1=x+1x−1∏k=0n−1(x−eiπkn)(x−e−iπkn).x^{2n}-1=\frac{x+1}{x-1}\prod_{k=0}^{n-1}\left(x-e^{i\pi \frac{k}{n}}\right)\left(x-e^{-i\pi \frac{k}{n}}\right). Or (x−eiπkn)(x−e−iπkn)=x2−2xcos⁡(kπn)+1\displaystyle \left(x-e^{i\pi \frac{k}{n}}\right)\left(x-e^{-i\pi \frac{k}{n}}\right)=x^2-2x\cos\left(\frac{k\pi}{n}\right)+1. On en déduit l’égalité voulue.
    Remarque : Si on était parti de la gauche, il fallait avoir le réflexe d’écrire 2cos⁡(kπn)=eiπkn+e−iπkn,2\cos\left(\frac{k\pi}{n}\right)=e^{i\pi \frac{k}{n}}+e^{-i\pi \frac{k}{n}}, et factoriser.
  2. Déjà on regarde à l’intérieur du ln⁡\displaystyle \ln. On voit le début d’un carré : x2−2xcos⁡t+1=(x−cos⁡t)2−cos⁡2t+1=(x−cos⁡t)2+sin⁡2t=∣x−eit∣2.\begin{aligned} x^2-2x\cos t +1 & = (x-\cos t)^2-\cos^2t+1\\ & = (x-\cos t)^2+\sin^2t\\ &= |x-e^{it}|^2. \end{aligned} Les seules valeurs réelles que peut prendre eit\displaystyle e^{it} sont 1\displaystyle 1 et −1\displaystyle -1, et on les a exclues ! Donc pour tout x≠±1\displaystyle x\neq\pm1, la fonction t↦x2−2xcos⁡t+1\displaystyle t\mapsto x^2-2x\cos t +1 est continue strictement positive sur [0,π]\displaystyle [0,\pi]. Ainsi la fonction f:t↦ln⁡(x2−2xcos⁡t+1)\displaystyle f:t\mapsto \ln(x^2-2x\cos t +1) est bien définie et continue sur [0,π]\displaystyle [0,\pi]. Donc I(x)\displaystyle I(x), x≠±1\displaystyle x\neq\pm 1, est bien définie.
  3. Suivant nos réflexes, on écrit une somme de Riemann associée à I(x)\displaystyle I(x) : In(x)=πn∑k=0n−1ln⁡(x2−2xcos⁡(kπn)+1)=πnln⁡(Qn(x)).\begin{aligned} I_n(x) &=\frac{\pi}{n}\sum_{k=0}^{n-1}\ln\left(x^2-2x\cos\left(\frac{k\pi}{n}\right)+1\right) \\ &=\frac{\pi}{n}\ln(Q_n(x)). \end{aligned} On a choisi une subdivision régulière avec xk=πkn\displaystyle x_k=\pi \frac{k}{n}, 0≤k≤n−1\displaystyle 0\le k\le n-1, et comme point où appliquer f\displaystyle f : xk\displaystyle x_k (en fait on peut choisir n’importe quel ck∈[xk,xk+1]\displaystyle c_k\in[x_k,x_{k+1}]). Comme f\displaystyle f est continue sur [0,π]\displaystyle [0,\pi], on en déduit que In(x)→n→∞I(x).I_n(x)\xrightarrow[ n\to \infty]{} I(x). Si ∣x∣<1\displaystyle |x|<1 alors Qn(x)→n→∞1\displaystyle Q_n(x)\xrightarrow[ n\to \infty]{} 1 et donc In(x)→n→∞0\displaystyle I_n(x)\xrightarrow[ n\to \infty]{} 0.
    Si ∣x∣>1\displaystyle |x|>1 alors on met x2n\displaystyle x^{2n} en facteur dans Qn(x)\displaystyle Q_n(x) et on obtient In(x)→n→∞2πln⁡∣x∣I_n(x)\xrightarrow[ n\to \infty]{} 2\pi \ln |x| car ln⁡(x2n)=2nln⁡∣x∣\displaystyle \ln (x^{2n})=2n\ln |x|. Ainsi
    I(x)=0    si ∣x∣<1I(x)=2πln⁡∣x∣  si ∣x∣>1.\begin{aligned} I(x) & = 0\ \ \ \ \qquad {\rm si} \ |x|<1\\ I(x)& = 2\pi \ln |x| \ \ {\rm si} \ |x|>1. \end{aligned}

Remarque :

  • Quand on obtient une formule, il faut toujours la vérifier en des points particuliers. Pour Qn\displaystyle Q_n, on voit que la formule est cohérente avec Qn(1)=0\displaystyle Q_n(1)=0 (le 1er terme du produit vaut 0\displaystyle 0) et Qn(0)=1\displaystyle Q_n(0)=1. Pour I\displaystyle I, on a bien I(0)=0\displaystyle I(0)=0, et on voit que le comportement quand x→∞\displaystyle x\to\infty est le bon en mettant x2\displaystyle x^2 en facteur dans le ln⁡\displaystyle \ln (et en travaillant un peu avec le bout qui reste).
  • En intégrant sur [0,2π]\displaystyle [0,2\pi] au lieu de [0,π]\displaystyle [0,\pi], on fait apparaître toutes les racines n\displaystyle n-ième de l’unité, cela évite la discussion un peu relou de 1), et il vient alors (xn−1)2\displaystyle (x^n-1)^2. Fais le lien avec I(x)\displaystyle I(x) en transformant ∫π2π\displaystyle \int_\pi^{2\pi} avec des changements de variable.
  • Dans la littérature L1/L2/Prépa, cette intégrale est parfois appelée intégrale de Poisson. Au niveau L3/M1, l’intégrale de Poisson fait plutôt référence à une convolution avec le noyau de Poisson, très important en analyse harmonique.

Exercice 497 ⭐️⭐️ Majoration de π\displaystyle \pi, Sup/L1

En calculant l’intégrale I=∫01(x−x2)41+x2dx,I = \int_0^1 \frac{(x-x^2)^4}{1+x^2} dx, obtenir une majoration pour le nombre π\displaystyle \pi.

Numérateur en 11+x2\displaystyle \frac{1}{1+x^2} 👉 On sent que l’arctangente peut apparaître…

On commence par simplifier la fraction rationnelle à intégrer en effectuant la division euclidienne : en développant (x−x2)4\displaystyle (x-x^2)^4 et après quelques calculs (pas si longs…) on obtient (x−x2)4=(x6−4x5+5x4−4x2+4)(1+x2)−4.(x-x^2)^4 = (x^6-4x^5+5x^4-4x^2+4)(1+x^2)-4.
On a donc I=∫01x6−4x5+5x4−4x2+4dx−4∫0111+x2dx.I = \int_0^1 x^6-4x^5+5x^4-4x^2+4 dx -4 \int_0^1 \frac{1}{1+x^2} dx.
La première intégrale est celle d’un polynomiale : ∫01x6−4x5+5x4−4x2+4dx=17−416+515−413+4=227.\int_0^1 x^6-4x^5+5x^4-4x^2+4 dx = \frac{1}{7}-4 \frac{1}{6}+5\frac{1}{5}-4\frac{1}{3}+4 = \frac{22}{7}. Pour la deuxième intégrale, on se rappelle de la primitive : ∫0111+x2dx=[arctan⁡(x)]01=arctan⁡(1)−arctan⁡(0)=π4.\int_0^1 \frac{1}{1+x^2} dx = \left[\arctan(x)\right]_0^1 = \arctan(1)-\arctan(0) = \frac{\pi}{4}.
Comme I≥0\displaystyle I \ge 0 (c’est l’intégrale d’une fonction positive), on en déduit l’inégalité π≤227.\pi \le \frac{22}{7}.

Remarque — On peut obtenir assez facilement une borne inférieure intéressante. Pour cela, on utilise l’inégalité classique x(1−x)≤1/4\displaystyle x(1-x) \le 1/4, vraie pour x∈[0,1]\displaystyle x \in [0,1], pour obtenir : I≤∫01(1/4)41+x2dx=π1024.I \le \int_0^1 \frac{(1/4)^4}{1+x^2} dx = \frac{\pi}{1024}. D’après le calcul explicite de I\displaystyle I, on a alors π≥10241025227.\pi \ge \frac{1024}{1025} \frac{22}{7}.
Numériquement on a 22/7−π≈0.0012645\displaystyle 22/7 - \pi \approx 0.0012645 et π−10241025227≈0.0018017\displaystyle \pi-\frac{1024}{1025} \frac{22}{7} \approx 0.0018017. Pas mal !

Exercice 499 ⭐️⭐️⭐️ Coefficients de Fourier, Sup/L1

Soit f:[0,2π]→R\displaystyle f : [0,2 \pi] \rightarrow \R une fonction continue.

  1. On suppose dans cette question que f\displaystyle f est décroissante. Montrer que ∫02πf(t)sin⁡(t)dt≥0.\int_0^{2 \pi} f(t) \sin(t) dt \ge 0.
  2. On suppose dans cette question que f\displaystyle f est convexe. Montrer que ∫02πf(t)cos⁡(t)dt≥0.\int_0^{2 \pi} f(t) \cos(t) dt \ge 0. On utilisera la propriété suivante des fonctions convexes : pour tout h≥0\displaystyle h \ge 0 et tout 0≤x≤y≤2π−h\displaystyle 0 \le x \le y \le 2 \pi - h, on a f(y+h)−f(y)≥f(x+h)−f(x).f(y+h)-f(y) \ge f(x+h)-f(x).
  1. On découpe l’intégrale : I=∫02πf(t)sin⁡(t)dt=I1+I2\displaystyle I = \int_0^{2 \pi} f(t) \sin(t) dt = I_1 + I_2, avec I1=∫0πf(t)sin⁡(t)dtI2=∫π2πf(t)sin⁡(t)dt. \begin{aligned}I_1 &= \int_0^{\pi} f(t) \sin(t) dt \\ I_2 &= \int_\pi^{2 \pi} f(t) \sin(t) dt. \end{aligned} Dans l’intégrale I2\displaystyle I_2, on fait le changement de variables u=2π−t\displaystyle u=2\pi - t : I2=∫0πf(2π−u)sin⁡(2π−u)du=−∫0πf(2π−u)sin⁡(u)du.\begin{aligned} I_2 & = \int_0^{\pi} f(2\pi -u) \sin(2 \pi - u) du \\ &= - \int_0^{\pi} f(2\pi -u) \sin(u) du .\end{aligned}
    On a utilisé les propriétés élémentaires de la fonction sinus : sin⁡(2π−u)=sin⁡(−u)=−sin⁡(u).\sin(2\pi-u)=\sin(-u)=-\sin(u). On en déduit que I=∫0π(f(t)−f(2π−t))sin⁡(t)dt.I = \int_0^\pi (f(t)-f(2\pi-t)) \sin(t) dt. Or pour 0≤t≤π\displaystyle 0 \le t \le \pi, on a t≤2π−t\displaystyle t \le 2\pi-t donc f(t)≥f(2π−t)\displaystyle f(t) \ge f(2\pi-t). On a également sin⁡(t)≥0\displaystyle \sin(t) \ge 0. On a donc I≥0\displaystyle I \ge 0, comme intégrale d’une fonction positive sur [0,π]\displaystyle [0,\pi].

  2. Ici on va découper l’intégrale en quatre parties : on pose I=∫02πf(t)cos⁡(t)dt=I1+I2+I3+I4\displaystyle I = \int_0^{2 \pi} f(t) \cos(t) dt = I_1 + I_2+I_3+I_4, avec I1=∫0π/2f(t)cos⁡(t)dt,I2=∫π/2πf(t)cos⁡(t)dt,I3=∫π3π/2f(t)cos⁡(t)dt,I4=∫3π/22πf(t)cos⁡(t)dt. \begin{aligned}I_1 &= \int_0^{\pi/2} f(t) \cos(t) dt ,\\ I_2 &= \int_{\pi/2}^{\pi} f(t) \cos(t) dt, \\ I_3 &= \int_{\pi}^{3\pi/2} f(t) \cos(t) dt, \\ I_4 &= \int_{3\pi/2}^{2 \pi} f(t) \cos(t) dt. \end{aligned} On transforme ensuite les intégrales I2,I3\displaystyle I_2,I_3 et I4\displaystyle I_4 par changement de variable affine afin de se ramener au segment [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2]. On a : I2=∫0π/2f(π−t)cos⁡(π−t)dt=−∫0π/2f(π−t)cos⁡(t)dt,I3=∫0π/2f(π+t)cos⁡(π+t)dt=−∫0π/2f(π+t)cos⁡(t)dt,I4=∫0π/2f(2π−t)cos⁡(2π−t)dt=∫0π/2f(2π−t)cos⁡(t)dt.\begin{aligned} I_2 &= \int_0^{\pi/2} f(\pi-t) \cos(\pi-t) dt \\&= -\int_0^{\pi/2} f(\pi-t) \cos(t) dt, \\I_3 &= \int_0^{\pi/2} f(\pi+t) \cos(\pi+t) dt \\&= -\int_0^{\pi/2} f(\pi+t) \cos(t) dt, \\I_4 &= \int_0^{\pi/2} f(2\pi-t) \cos(2\pi-t) dt \\&= \int_0^{\pi/2} f(2\pi-t) \cos(t) dt.\end{aligned} On recolle le tout : I=∫0π/2[f(t)−f(π−t)−f(π+t)+f(2π−t)]cos⁡(t)dt.I= \int_0^{\pi/2} \left[ f(t)-f(\pi-t)-f(\pi+t) +f(2\pi-t)\right] \cos(t) dt. Or la fonction cos⁡\displaystyle \cos est positive sur [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2]. De plus, f\displaystyle f étant convexe, on utilise la propriété admise dans l’énoncé avec x=t\displaystyle x=t, y=π−t\displaystyle y=\pi-t et h=π\displaystyle h=\pi (et on a bien x≤y\displaystyle x \le y !) pour montrer que I\displaystyle I est l’intégrale d’une fonction positive sur [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2], donc I≥0\displaystyle I \ge 0.

Exercice 534 ⭐️⭐️⭐️ Vitesse de convergence des sommes de Riemann, X PSI, Sup/L1/Classique

Si f:[0,1]→R\displaystyle f:[0,1]\to \R est continue, on sait que les sommes de Riemann 1n∑k=0n−1f(xk,n)\displaystyle \frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f(x_{k,n}), où xk,n∈[kn,k+1n[\displaystyle x_{k,n}\in\left[\frac{k}{n},\frac{k+1}{n}\right[, convergent vers I=∫01f(x)dx\displaystyle I=\int_0^1f(x)dx. Notons Sn=1n∑k=0n−1f(kn).S_n=\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{k}{n}\right).
Si f∈C1\displaystyle f\in C^1, on peut avoir la vitesse de convergence de Sn\displaystyle S_n vers I\displaystyle I et le premier terme du développement asymptotique. Montrer que dans ce cas : I−Sn=12n(f(1)−f(0))+o(1/n).I-S_n=\frac{1}{2n}(f(1)-f(0))+o(1/n).
Remarque — Plus f\displaystyle f est régulière, i.e. C2\displaystyle C^2, C3\displaystyle C^3, etc, plus la précision est bonne, i.e. on obtient les autres termes du développement asymptotique.

Intégrale-Somme 👉 Ecrire l’intégrale comme une somme ;
💡 Utiliser une primitive F\displaystyle F de f\displaystyle f (sinon on peut galérer longtemps 😫).

Soit F\displaystyle F une primitive de f\displaystyle f. Alors I=F(1)−F(0)=∑k=0n−1(F(k+1n)−F(kn)).I=F(1)-F(0)=\sum_{k=0}^{n-1}\left(F\left(\frac{k+1}{n}\right)-F\left(\frac{k}{n}\right)\right). La formule de Taylor-Lagrange à l’ordre 2\displaystyle 2 pour F\displaystyle F qui est C2\displaystyle C^2 donne : F(k+1n)−F(kn)=1nf(kn)+12n2f′(xk,n),F\left(\frac{k+1}{n}\right)-F\left(\frac{k}{n}\right)=\frac1nf\left(\frac{k}{n}\right)+\frac{1}{2n^2}f'(x_{k,n}), avec xk,n∈]kn,k+1n[\displaystyle x_{k,n}\in\left]\frac{k}{n},\frac{k+1}{n}\right[, car F′=f\displaystyle F'=f et F′′=f′\displaystyle F''=f'. Donc en sommant on a I−Sn=12n2∑k=0n−1f′(xk,n).(⋆)I-S_n=\frac{1}{2n^2}\sum_{k=0}^{n-1}f'(x_{k,n}). \quad (\star) Or f′\displaystyle f' est continue car f\displaystyle f est C1\displaystyle C^1, donc on peut utiliser le résultat de convergence des sommes de Riemann rappelé au début de l’exercice, que l’on écrit sous la forme : 1n∑k=0n−1f′(xk)=∫01f′(x)dx+o(1).\frac1n\sum_{k=0}^{n-1}f'(x_k)=\int_0^1f'(x)dx+o(1). En injectant cette identité dans (⋆)\displaystyle (\star) et en notant que ∫01f′(x)dx=f(1)−f(0)\displaystyle \int_0^1f'(x)dx=f(1)-f(0), on obtient le résultat.

Exercice 583 ⭐️⭐️⭐️ Un corps noir bleu-vert, blanc, rouge et infrarouge qui a l’air jaune, Sup/L1/Spé/L2

En physique, le spectre du rayonnement d’un corps noir de température T\displaystyle T est distribué de la manière suivante: la luminance énergétique correspondant au rayonnement émis de fréquence comprise entre ν1\displaystyle \nu_1 et ν2\displaystyle \nu_2 est donné par l’intégrale de f\displaystyle f entre ν1\displaystyle \nu_1 et ν2\displaystyle \nu_2, avec
f(ν)=2hν3c2(ehν/kT−1)f(\nu) = \frac{2 h \nu^3}{c^2 (e^{h \nu/kT} - 1)}
où, aujourd’hui par définition, h=6,62607015⋅10−34\displaystyle h = 6,626 070 15 \cdot 10^{-34} joule-seconde (constante de Planck), c=299792458\displaystyle c = 299792458 mètres par seconde (vitesse de la lumière), k=1,380649⋅10−23\displaystyle k = 1,380 649 \cdot 10^{-23} joule par kelvin (constante de Boltzmann).
On a donc pour α=2h/c2≃1,47449946⋅10−50\displaystyle \alpha = 2h /c^2 \simeq 1,47449946 \cdot 10^{-50} kilogrammes-seconde (ou watt par mètre carré et par hertz puissance 4), β=k/h≃2,08366191⋅1010\displaystyle \beta = k/h \simeq 2,08366191 \cdot 10^{10} hertz par kelvin,
f(ν)=αν3eνβT−1.f(\nu) = \frac{\alpha \nu^3 }{e^{\frac{\nu}{\beta T}} - 1}.

  1. Montrer que la luminance énergétique totale est égale à γT4\displaystyle \gamma T^4 (voir la loi de Stefan-Boltzmann), où on exprimera γ\displaystyle \gamma en fonction de α\displaystyle \alpha et β\displaystyle \beta.
  2. Est-ce que pour toute fréquence donnée, un corps plus chaud émet plus de rayonnement qu’un corps plus froid?
  3. Montrer que f\displaystyle f admet un maximum global à une fréquence νm=κν0\displaystyle \nu_m = \kappa \nu_0, où ν0=βT\displaystyle \nu_0 = \beta T, et κ\displaystyle \kappa est une constante. Exprimer mathématiquement cette constante et en donner une approximation numérique.
  4. Quelle est la longueur d’onde λm\displaystyle \lambda_{m} d’un rayonnement de fréquence νm\displaystyle \nu_m?
  5. Montrer que pour b>a≥0\displaystyle b > a \geq 0 la proportion du rayonnement émis entre les fréquences aν0\displaystyle a \nu_0 et bν0\displaystyle b \nu_0 est l’intégrale entre a\displaystyle a et b\displaystyle b d’une distribution de probabilité, ne dépendant pas de T\displaystyle T, dont on donnera la densité.
  6. Le rayonnement du soleil est proche de celui d’un corps noir à une température de TS=5770\displaystyle T_S = 5770 kelvins. Donner une valeur numérique de νm\displaystyle \nu_m et λm\displaystyle \lambda_m pour le soleil. A quelle couleur cela correspond-t-il?
  7. Montrer que la luminance énergétique correspondant au rayonnement de longueur d’onde entre λ1\displaystyle \lambda_1 et λ2\displaystyle \lambda_2 est l’intégrale de g\displaystyle g entre λ1\displaystyle \lambda_1 et λ2\displaystyle \lambda_2 où g\displaystyle g est une fonction à déterminer.
  8. Déterminer la longueur d’onde λm′\displaystyle \lambda'_m correspondant au maximum de g\displaystyle g et la comparer à λm\displaystyle \lambda_m. A quelle couleur cela correspond-t-il pour le soleil?
  9. Donner une approximation de la proportion de lumière visible dans le rayonnement solaire. De quel couleur apparaît le soleil si on sort de l’atmosphere?
  10. Montrer que la fréquence moyenne et la longueur d’onde moyenne du rayonnement émis par un corps noir sont respectivement proportionnels à ν0\displaystyle \nu_0 et c/ν0\displaystyle c/\nu_0, avec des coefficients à déterminer. Faire l’approximation numérique pour le soleil et donner les couleurs correspondantes.
  11. Pourquoi n’y a-t-il pas d’étoile verte?
  1. On obtient pour la luminance totale, par le changement de variables ν=βTx\displaystyle \nu = \beta T x, ν3dν=(βT)4dx\displaystyle \nu^3 d\nu = (\beta T)^4 dx
    ∫0∞αν3eν/βT−1dν=αβ4T4∫0∞x3dxex−1.\int_0^{\infty} \frac{\alpha \nu^3}{ e^{\nu/\beta T} -1} d \nu = \alpha \beta^4 T^4 \int_0^{\infty} \frac{x^3 dx}{e^x -1}.
    On a
    x3ex−1=x3e−x(1−e−x)−1=x3e−x∑m=0∞e−mx,\frac{x^3}{e^x - 1} = x^3 e^{-x} (1-e^{-x})^{-1} = x^3 e^{-x} \sum_{m= 0}^{\infty} e^{-mx},
    et donc
    ∑k=1∞∫0∞x3e−kxdx=∑k=1∞k−4Γ(4)=ζ(4)(3!)=π415\sum_{k=1}^{\infty} \int_0^{\infty} x^3 e^{- kx} dx = \sum_{k=1}^{\infty} k^{-4} \Gamma(4) = \zeta(4) (3!) = \frac{\pi^4}{15}
    en admettant la valeur de ζ(4)\displaystyle \zeta(4) (un autre exercice!).
    Donc on a le résultat annoncé, avec
    γ=π4αβ415≃1,80493622⋅10−8W/(m2.K4)⁡.\gamma= \frac{\pi^4 \alpha \beta^4}{15} \simeq 1,80493622 \cdot 10^{-8} \operatorname{W /(m^2 . K^4)}.
    Il y a un facteur π\displaystyle \pi entre γ\displaystyle \gamma et la constante σ\displaystyle \sigma présente dans l’expression de la loi de Stefan-Boltzmann, due à une considération plus détaillée du modèle de corps noir et de considération géométriques.
  2. On vérifie que f\displaystyle f est croissante en T\displaystyle T pour tout ν\displaystyle \nu, donc la réponse à la question est oui.
  3. La fonction f\displaystyle f est C∞\displaystyle \mathcal{C}^{\infty} est positive, tend vers zéro en 0\displaystyle 0 et l’infini, donc admet un maximum global où la dérivée logarithmique s’annule. On trouve donc 3νm=eνm/βT/(βT)eνm/βT−1,\frac{3}{ \nu_m} = \frac{ e^{\nu_m/\beta T} / (\beta T)}{ e^{\nu_m/\beta T} -1},
    d’où le résultat demandé, avec κ\displaystyle \kappa tel que
    3κ=eκeκ−1,  κ=3(1−e−κ).\frac{3}{\kappa} = \frac{e^{\kappa}}{e^{\kappa} -1 }, \;\kappa = 3(1 - e^{-\kappa}).
    La méthode de Newton partant de 3\displaystyle 3 donne κ0=3\displaystyle \kappa_0 = 3, κp+1=κp−3(1−e−κp)−κp3e−κp−1=3((1+κp)e−κp−1)3e−κp−1.\kappa_{p+1} = \kappa_p - \frac{3(1-e^{-\kappa_p}) - \kappa_p}{3e^{-\kappa_p} - 1}= \frac{3((1+\kappa_p) e^{-\kappa_p} - 1) }{3 e^{-\kappa_p}-1}.
    On obtient une convergence rapide vers κ≃2,82143937212\displaystyle \kappa \simeq 2,82143937212.
  4. La longueur d’onde est λm\displaystyle \lambda_m est c/νm=c/κν0\displaystyle c/ \nu_m = c/\kappa \nu_0, c\displaystyle c étant la vitesse de la lumière.
  5. On trouve, avec le changement de variable ν=βTx\displaystyle \nu = \beta T x, 15π4αβ4T4∫aβTbβTαν3(eν/βT−1)dν=15π4∫abx3ex−1dx.\frac{15}{ \pi^4 \alpha \beta^4 T^4} \int_{a \beta T}^{b \beta T} \frac{\alpha \nu^3}{ (e^{ \nu/\beta T} - 1)} d\nu = \frac{15}{\pi^4} \int_a^b \frac{x^3}{e^x-1} dx.
    On obtient donc une distribution de densité x↦15π4 x3ex−1,x \mapsto \frac{15}{\pi^4}\, \frac{x^3}{e^x-1}, dont l’intégrale vaut 1\displaystyle 1, c’est à dire une densité de probabilité.
  6. On trouve ν0=βTS≃2,08366191⋅1010×5770≃1,2022729⋅1014\displaystyle \nu_0 = \beta T_S \simeq 2,08366191 \cdot 10^{10} \times 5770 \simeq 1,2022729 \cdot 10^{14} hertz puis νm=κν0≃2,82143937212⋅1,2022729⋅1014≃3,3921401⋅1014\displaystyle \nu_m = \kappa \nu_0 \simeq 2,82143937212 \cdot 1,2022729 \cdot 10^{14} \simeq 3,3921401 \cdot 10^{14} hertz. La longueur d’onde est λm=c/νm≃299792458/(3.3921401⋅1014)≃8,83785602⋅10−7m⁡,\lambda_m= c/\nu_m \simeq 299792458 / (3.3921401 \cdot 10^{14}) \simeq 8,83785602 \cdot 10^{-7} \operatorname{m},
    soit 883\displaystyle 883 nanomètre environ. Il s’agit d’un infrarouge très proche du rouge.
  7. Une longueur d’onde entre λ1\displaystyle \lambda_1 et λ2\displaystyle \lambda_2 correspond à une fréquence entre c/λ2\displaystyle c/\lambda_2 et c/λ1\displaystyle c/\lambda_1, donc une luminance: ∫c/λ2c/λ1αν3eνβT−1dν=∫λ2λ1α(c/λ)3ecλβT−1d(c/λ).\int_{c/\lambda_2}^{c/\lambda_1} \frac{\alpha \nu^3}{e^{\frac{\nu}{\beta T} - 1}} d \nu = \int_{\lambda_2}^{\lambda_1} \frac{\alpha (c/\lambda)^3}{e^{\frac{c}{\lambda \beta T} - 1}} d (c/ \lambda). Ceci donne le résultat de l’énoncé avec g(λ)=αc4λ5(ecλβT−1)g(\lambda) = \frac{\alpha c^4 }{\lambda^5 (e^{\frac{c}{\lambda \beta T}}- 1)}
  8. On obtient l’équation 5λ=cλ2βTecλβTecλβT−1,\frac{5}{\lambda} = \frac{c}{\lambda^2 \beta T} \frac{e^{\frac{c}{\lambda \beta T}}}{e^{\frac{c}{\lambda \beta T}}-1}, soit λ=cν0μ=cβTμ\lambda = \frac{c}{\nu_0 \mu} = \frac{c}{\beta T \mu} avec
    5μ=eμeμ−1,  μ=5(1−e−μ).\frac{5}{\mu} = \frac{e^{\mu}}{e^{\mu} -1 }, \;\mu = 5(1 - e^{-\mu}).
    La méthode de Newton donne μ≃4,96511423174\displaystyle \mu \simeq 4,96511423174. La logueur d’onde ici est λm′=cν0μ\displaystyle \lambda'_m = \frac{c}{\nu_0 \mu}, donc λm′=λmθ\displaystyle \lambda'_m = \lambda_m \theta où θ=κ/μ≃0,56825266\displaystyle \theta = \kappa/\mu \simeq 0,56825266. Le pic du spectre correspond donc à une longueur d’onde presque deux fois plus courte si on considère la luminance en fonction de la longueur d’onde au lieu de la considérer en fonction de la fréquence ! Pour le soleil, on trouve λm′≃0,56825266×8,83785602⋅10−7≃5,02213519⋅10−7m⁡,\lambda'_m \simeq 0,56825266 \times 8,83785602 \cdot 10^{-7} \simeq 5,02213519 \cdot 10^{-7} \operatorname{m},
    soit 502\displaystyle 502 nanomètres. Cela se situe entre le vert et le bleu.
  9. On obtient 15π4∫abx3ex−1dx\frac{15}{\pi^4} \int_a^b \frac{x^3}{e^x-1} dx avec a=λ0/λrouge\displaystyle a = \lambda_0/\lambda_{rouge} et b=λ0/λviolet\displaystyle b = \lambda_0/\lambda_{violet}, λrouge\displaystyle \lambda_{rouge} et λviolet\displaystyle \lambda_{violet} étant les extrémités du spectre visible, avec λ0=c/βT\displaystyle \lambda_0 = c/\beta T. On a, pour le soleil, λ0≃299792458/(2,08366191⋅1010×5770)≃2,49354⋅10−6m⁡. \lambda_0 \simeq 299792458/( 2,08366191 \cdot 10^{10} \times 5770) \simeq 2,49354 \cdot 10^{-6} \operatorname{m}. Comme λviolet≃3,8⋅10−7\displaystyle \lambda_{violet} \simeq 3,8 \cdot 10^{-7} et λrouge≃7,8⋅10−7\displaystyle \lambda_{rouge} \simeq 7,8 \cdot 10^{-7}, on trouve a≃3,2\displaystyle a \simeq 3,2 et b≃6,56\displaystyle b \simeq 6,56. Un calcul numérique de l’intégrale donne environ 45%\displaystyle 45 \% de lumière visible (on trouve environ 45%\displaystyle 45 \% d’infrarouges et 10%\displaystyle 10 \% d’ultraviolets). Comme cette lumière visible est répartie sur toutes leurs couleurs du rouge au violet sans pic très marqué, hors de l’atmosphère le soleil paraît blanc.
  10. Après les changements de variables adéquats, on trouve comme fréquence moyenne: ν0 15π4∫0∞x4ex−1=ν015π4 (4!∑k=1∞k−5)=ν0360ζ(5)π4\nu_0 \, \frac{15}{\pi^4} \int_0^{\infty} \frac{x^4}{e^x-1} = \nu_0 \frac{15}{\pi^4} \, \left( 4! \sum_{k=1}^{\infty} k^{-5} \right) = \nu_0 \frac{360 \zeta(5)}{\pi^4} soit environ 3,8322294956ν0\displaystyle 3,8322294956 \nu_0. La longueur d’onde associée est λ0/3,8322294956\displaystyle \lambda_0/3,8322294956. Pour le soleil, on trouve 651\displaystyle 651 nanomètres, ce qui correspond à du rouge. Pour longueur d’onde moyenne, on trouve λ0 15π4∫0∞x2ex−1=30ζ(3)π4≃0,3702088451λ0.\lambda_0 \, \frac{15}{\pi^4} \int_0^{\infty} \frac{x^2}{e^x-1} = \frac{30 \zeta(3)}{\pi^4 } \simeq 0,3702088451 \lambda_0. Pour le soleil, on trouve 923\displaystyle 923 nanomètres, donc de l’infrarouge proche.
  11. Une étoile qui émet beaucoup de lumière verte émet aussi beaucoup de bleu et de rouge, donc paraît blanche (ou comme le soleil, jaune à cause d’effets atmosphériques).

Petit bonus.

Exercice 591 ⭐️⭐️⭐️ Primitive de 1−1/x\displaystyle \sqrt{1-1/x}, Sup/Spé/L2

Calculer une primitive de x↦1−1/x\displaystyle x\mapsto \sqrt{1-1/x} pour x≥1\displaystyle x\ge 1.

une racine et 1−⋯\displaystyle 1-\cdots 👉 fonction trigo

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