Intégrales à paramètre

Exercice 21 ⭐️⭐️ Convergence vers un Dirac, Spé/L3

Soit ϕ\displaystyle \phi une fonction continue sur R\displaystyle \mathbb R à support compact (i.e. ϕ\displaystyle \phi est nulle en dehors d’un intervalle borné).
Montrer que : Rσπ(x2+σ2)ϕ(x)dxσ0ϕ(0)\displaystyle \int_{\mathbb R}\frac{\sigma}{\pi(x^2+\sigma^2)}\phi(x)dx \underset{\sigma\rightarrow 0}{\longrightarrow} \phi(0).

Changement de variable (pour avoir par exemple un paramètre dans le ϕ\displaystyle \phi et utiliser sa continuité).

Avec le changement de variable x=σu\displaystyle x=\sigma u, on obtient I(σ)=Rσπ(x2+σ2)ϕ(x)dx=R1π(u2+1)ϕ(σu)du\displaystyle I(\sigma)=\int_{\R}\frac{\sigma}{\pi(x^2+\sigma^2)}\phi(x)dx=\int_{\R}\frac{1}{\pi(u^2+1)}\phi(\sigma u)du. Comme ϕ\displaystyle \phi est continue sur J\displaystyle J compact et nulle en dehors, alors ϕ\displaystyle \phi est bornée, et pour tout uR\displaystyle u\in\R et σR\displaystyle \sigma\in\R, ϕ(σu)u2+1Mu2+1\displaystyle \frac{|\phi(\sigma u)|}{u^2+1}\le \frac{M}{u^2+1} qui est intégrable sur R\displaystyle \R.
Donc on peut appliquer le théorème de convergence dominée. Comme pour tout uR\displaystyle u\in\R, ϕ(σu)σ0ϕ(0)\displaystyle \phi(\sigma u)\xrightarrow[\sigma\to 0]{} \phi(0) car ϕ\displaystyle \phi est continue, on en déduit que
limσ0I(σ)=Rlimσ0ϕ(σu)π(u2+1)du=Rϕ(0)π(u2+1)du=ϕ(0).\lim_{\sigma\to 0} I(\sigma)=\int_\R \lim_{\sigma\to 0}\frac{\phi(\sigma u)}{\pi(u^2+1)}du=\int_\R \frac{\phi(0)}{\pi(u^2+1)}du=\phi(0).

Exercice 22 ⭐️⭐️ Asymptotique norme p\displaystyle ||\cdot||_p, Spé/L3

Soit f>0\displaystyle f>0 une fonction continue sur [0,1]\displaystyle [0,1]. On pose I(α)=(01f(x)αdx)1/α\displaystyle I(\alpha)=\left(\int_0^1 f(x)^\alpha dx\right)^{1/\alpha}. Déterminer limα0I(α)\displaystyle \lim_{\alpha\to 0} I(\alpha).

yβ\displaystyle y^\beta 👉 Écriture eβln(y)\displaystyle e^{\beta \ln(y)}.

Notons J(α)=01f(x)αdx\displaystyle J(\alpha)=\int_0^1 f(x)^\alpha dx. On s’empresse d’écrire I(α)=eα1ln(J(α))\displaystyle I(\alpha)=e^{\alpha^{-1}\ln(J(\alpha))}. On a J(0)=1\displaystyle J(0)=1 et donc on peut interpréter la quantité dans l’exponentielle comme un taux d’accroissement : T(α):=ln(J(α))α=ln(J(α))ln(J(0))α0\displaystyle T(\alpha):=\frac{\ln(J(\alpha))}{\alpha}=\frac{\ln(J(\alpha))-\ln(J(0))}{\alpha-0}. Posons h(x)=ln(J(x))\displaystyle h(x)=\ln(J(x)). Si J\displaystyle J est dérivable en 0\displaystyle 0 alors on limα0+T(α)=h(0)=J(0)J(0)=J(0).\displaystyle \lim_{\alpha \to 0^+} T(\alpha)=h'(0)=\frac{J'(0)}{J(0)}=J'(0). Il faut donc étudier J\displaystyle J qui est une intégrale dépendant d’un paramètre. Posons g(x,α)=f(x)α=eαln(f(x))\displaystyle g(x,\alpha)=f(x)^\alpha=e^{\alpha\ln(f(x))} qui est continue sur [0,1]×[1,1]\displaystyle [0,1]\times [-1,1] (on a pris [1,1]\displaystyle [-1,1] par exemple pour contenir 0\displaystyle 0). De plus gα(x,α)=ln(f(x))f(x)α\displaystyle \frac{\partial g}{\partial \alpha}(x,\alpha)=\ln(f(x))f(x)^\alpha est continue [0,1]×[1,1]\displaystyle [0,1]\times [-1,1]. On en déduit que J\displaystyle J est dérivable sur [1,1]\displaystyle [-1,1] et que J(α)=01ln(f(x))f(x)αdx\displaystyle J'(\alpha)=\int_0^1 \ln(f(x))f(x)^\alpha dx. Finalement, comme tet\displaystyle t\mapsto e^t est continue, il vient limα0+I(α)=eJ(0)=e01ln(f(x))dx.\displaystyle \lim_{\alpha \to 0^+} I(\alpha)=e^{J'(0)}=e^{\int_0^1\ln(f(x))dx}.

Exercice 23 ⭐️⭐️⭐️ Intégrale de Dirichlet, Spé/L3/Classique

On souhaite calculer la valeur de I0=0+sinttdt\displaystyle I_0=\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t}dt.
On pose pour cela I(x)=0+ext sinttdt\displaystyle I(x)=\int_0^{+\infty}e^{-xt}~\frac{\sin t}{t}dt , x>0\displaystyle x>0.

  1. Montrer que I\displaystyle I est définie sur R+\displaystyle \R_+, et C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R+\displaystyle \R_+^*.
  2. Calculer I(x)\displaystyle I'(x) pour x>0\displaystyle x>0, puis I(x)\displaystyle I(x).
  3. Montrer que I\displaystyle I est continue en 0\displaystyle 0 et en déduire la valeur de I0\displaystyle I_0.
    On pourra utiliser une intégration par parties.
  1. Intégrale à paramètre 👉 Dérivation sous le signe somme !
  2. On voit e...\displaystyle e^{...} et sin\displaystyle \sin 👉 On écrit sin(t)\displaystyle \sin(t) comme partie imaginaire de eit\displaystyle e^{it}.
  3. Intégration par parties 👉 Choisir le sens qui nous arrange.
  1. \displaystyle \bullet Soit x>0\displaystyle x>0. La majoration ext sinttext\displaystyle \left|e^{-xt}~\frac{\sin t}{t}\right|\leq e^{-xt} donne l’intégrabilité de text sintt\displaystyle t\mapsto e^{-xt}~\frac{\sin t}{t} sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
    \displaystyle \bullet Pour x=0\displaystyle x=0, tsintt\displaystyle t\mapsto\frac{\sin t}{t} est prolongeable par continuité en 0\displaystyle 0 donc intégrable sur ]0;1]\displaystyle ]0;1]. Par ailleurs, une IPP donne 1Asintt dt=CstecosAA1Acostt2dt,\int_1^A\frac{\sin t}{t}~dt= \mathrm{Cste}-\frac{\cos A}{A}-\int_1^A\frac{\cos t}{t^2}dt, qui possède une limite finie quand A+\displaystyle A\to+\infty car d’une part cosAA0\displaystyle \frac{\cos A}{A}\to 0, et d’autre part l’intégrale de droite est absolument convergente (puisque costt21t2\displaystyle \left|\frac{\cos t}{t^2}\right|\leq\frac{1}{t^2}).
    Remarque. Pour une preuve légèrement différente de ce point classique, on pourra consulter l’exo 20.
    \displaystyle \bullet Vérifions les hypothèses du théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
    (i) xext sintt\displaystyle x\mapsto e^{-xt}~\frac{\sin t}{t} est C1\displaystyle \mathcal C^1 par rapport à x\displaystyle x pour t>0\displaystyle t>0 fixé et x(ext sintt)=extsin(t)\displaystyle \frac{\partial }{\partial x}\left(e^{-xt}~\frac{\sin t}{t}\right)= -e^{-xt}\sin(t);
    (ii) text sintt\displaystyle t\mapsto e^{-xt}~\frac{\sin t}{t} et textsint\displaystyle t\mapsto - e^{-xt}\sin t sont continues (par morceaux) sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[ pour x>0\displaystyle x>0 fixé;
    (iii) text sintt\displaystyle t\mapsto e^{-xt}~\frac{\sin t}{t} est intégrable sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[ pour x>0\displaystyle x>0 fixé;
    (iii) Pour un segment [a;b]]0;+[\displaystyle [a;b]\subset]0;+\infty[, on a : x[a;b],t>0, extsin(t)eat\displaystyle \forall x\in[a;b],\forall t>0,~\left|-e^{-xt}\sin(t)\right|\leq e^{-at}, avec teat\displaystyle t\mapsto e^{-at} intégrable sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
    Conclusion. I\displaystyle I est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R+\displaystyle \R_+^* et x>0,I(x)=0+extsin(t)dt.\forall x>0,I'(x)=\int_0^{+\infty}-e^{-xt}\sin(t)dt.
  2. Pour x>0\displaystyle x>0,
    I(x)=0+extsin(t)dt=Im(0+e(x+i)tdt)=Im(1xi)=11+x2\begin{aligned} I'(x)=\int_0^{+\infty}-e^{-xt}\sin(t)dt=-\mathrm{Im}\left(\int_0^{+\infty}e^{(-x+i)t}dt\right)=-\mathrm{Im}\left(\frac{1}{x-i}\right)=\frac{-1}{1+x^2} \end{aligned} Ainsi il existe CR\displaystyle C\in\R tel que x>0,I(x)=Carctan(x)\displaystyle \forall x>0,I(x)=C-\arctan(x). On examine la limite en +\displaystyle +\infty pour déterminer C\displaystyle C. La majoration ext sinttext\displaystyle \left|e^{-xt}~\frac{\sin t}{t}\right|\leq e^{-xt} donne I(x)1x\displaystyle |I(x)|\leq\frac 1x donc I(x)x+\displaystyle I(x)\underset{x\to +\infty}\to. Finalement : x>0, I(x)=π2arctan(x).\forall x>0,~I(x)=\frac{\pi}{2}-\arctan(x).
  3. Soit x>0\displaystyle x>0. Notons F(t)=0tsin(u)udu\displaystyle F(t) = \int_0^t\frac{\sin(u)}{u}du. On remarque que limt+F(t)=I0\displaystyle \lim_{t\to+\infty}F(t)=I_0, et que, F\displaystyle F étant continue sur R+\displaystyle \R_+ et de limite finie en +\displaystyle +\infty, F\displaystyle |F| est bornée par une constante K\displaystyle K. Ainsi I(x)=0+extsintt dt=[extF(t)]0+=0+0+xextF(t)dt=0+euF(ux)du.\begin{aligned}I(x)&=\int_0^{+\infty}e^{-xt}\frac{\sin t}{t}~dt \\&= \underbrace{\left[e^{-xt}F(t)\right]_0^{+\infty}}_{=0}+\int_0^{+\infty}xe^{-xt}F(t)dt\\ &= \int_0^{+\infty}e^{-u}F\left(\frac ux\right)du\end{aligned}.
    La majoration euF(ux)Keu\displaystyle \left|e^{-u}F\left(\frac ux\right)\right|\leq K e^{-u} permet de conclure, par convergence dominée, que limx0I(x)=0+euI0 du=I0=I(0)\lim_{x\to 0} I(x)=\int_0^{+\infty}e^{-u}I_0~du=I_0=I(0)
    Conclusion. Par continuité, l’égalité de 2. reste vraie pour x=0\displaystyle x=0, ce qui donne I0=π2\displaystyle I_0=\frac{\pi}{2}.

Exercice 354 ⭐️⭐️ La domination est indispensable, Spé/L2

On pose G(x)=0+xextdt\displaystyle G(x)=\int_0^{+\infty} x e^{-xt}\mathrm{d}t.

  1. Justifier que G\displaystyle G est définie sur R+\displaystyle \R_+.
  2. Existe t-il une fonction ϕ\displaystyle \phi intégrable sur R+\displaystyle \R_+ telle que (x,t)(R+)2, xextϕ(t)\displaystyle \forall (x,t)\in(\R_+)^2,~\left|x e^{-xt}\right|\leq\phi(t) ?
  3. La fonction G\displaystyle G est-elle continue en 0\displaystyle 0 ?
  1. Pour x0\displaystyle x\geq 0 fixé, étudier la convergence de l’intégrale.
  2. Prendre la borne supérieure pour xR+\displaystyle x\in\R_+.
  3. Comparer G(0)\displaystyle G(0) avec limx0+G(x)\displaystyle \lim_{x\to 0^+}G(x).
  1. Pour x=0\displaystyle x=0 la fonction txext\displaystyle t\mapsto x e^{-xt} est nulle donc son intégrale converge.
    Pour x>0\displaystyle x>0, l’intégrale converge car 0extdt\displaystyle \int_0^\infty e^{-xt}\mathrm{d}t est une intégrale convergente (intégrale de référence).
  2. Supposons : (x,t)(R+)2, xextϕ(t)\displaystyle \forall (x,t)\in(\R_+)^2,~\left|x e^{-xt}\right|\leq\phi(t).
    Alors on a, pour t0\displaystyle t\geq 0 : supx0xextϕ(t)\displaystyle \quad \sup_{x\geq 0}x e^{-xt}\leq\phi(t).
    Fixons t0\displaystyle t\geq 0. L’application u:xxext\displaystyle u:x\mapsto x e^{-xt} est dérivable sur R+\displaystyle \R_+ avec u(x)=(1tx)ext\displaystyle u'(x)=(1-tx)e^{-xt}. Ainsi u\displaystyle u est croissante sur [0;1/t]\displaystyle [0;1/t], décroissante sur [1/t;+]\displaystyle [1/t;+\infty].
    Comme u\displaystyle u est positive sur R+\displaystyle \R_+ on a donc supx0xext=u(1t)=1et\displaystyle \sup_{x\geq 0}x e^{-xt} = u\left(\frac 1t\right)=\frac{1}{et}.
    Finalement pour tout t0\displaystyle t\geq 0, ϕ(t)1et\displaystyle \phi(t)\geq \frac{1}{et}, or t1et\displaystyle t\mapsto \frac{1}{et} est non intégrable sur R+\displaystyle \R_+, donc cette inégalité est incompatible avec la condition "ϕ\displaystyle \phi intégrable". La réponse est donc négative.
  3. On ne peut donc pas appliquer le théorème de continuité d’une intégrale à paramètre. De fait, on observe que G\displaystyle G n’est pas continue en 0\displaystyle 0 puisque d’une part G(0)=0\displaystyle G(0)=0, et d’autre part pour x>0\displaystyle x>0 le calcul donne G(x)=1\displaystyle G(x)=1.

Exercice 355 ⭐️⭐️ Intégrale de Gauss, Spé/L2/Classique

On souhaite calculer I=0+eu2du\displaystyle I=\int_0^{+\infty} e^{-u^2}\mathrm{d} u. On introduit pour cela la fonction g(x)=01ex2(1+t2)1+t2dt.\displaystyle g(x)=\int_0^1\frac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2}\mathrm{d}t.

  1. Montrer que g\displaystyle g est définie et de classe C1\displaystyle C^1 sur R\displaystyle \R, et que xR\displaystyle \forall x\in\R, g(x)=2ex20xeu2du.\displaystyle g'(x)=-2 e^{-x^2}\int_0^x e^{-u^2}\mathrm{d} u..
  2. Montrer qu’il existe une constante cR\displaystyle c\in\R telle que xR,  g(x)=c(0xeu2du)2.\displaystyle \forall x\in\R,~~g(x)=c-\left(\int_0^x e^{-u^2}\mathrm{d} u\right)^2.
  3. En déduire la valeur de I\displaystyle I.
  1. Dériver une intégrale à paramètre 👉 Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre
    (il fallait y penser ! 😂)
  2. On veut obtenir g(x)\displaystyle g(x), connaissant g(x)\displaystyle g'(x) 👉 Primitivation.
  3. On a une relation avec 0xeu2du\displaystyle \int_0^{x} e^{-u^2}\mathrm{d} u et on veut 0+eu2du\displaystyle \int_0^{+\infty} e^{-u^2}\mathrm{d} u 👉 Faire tendre x\displaystyle x vers +\displaystyle +\infty.
  1. Posons u(x,t)=ex2(1+t2)1+t2\displaystyle u(x,t)=\frac{e^{-x^2(1+t^2)}}{1+t^2}, et fixons un segment [a;a]R\displaystyle [-a;a]\subset\R.
  • Pour t[0;1]\displaystyle t\in[0;1], xu(x,t)\displaystyle x\mapsto u(x,t) est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur R\displaystyle \R et ux(x,t)=2xex2(1+t2)\displaystyle \frac{\partial u}{\partial x} (x,t)=-2x e^{-x^2(1+t^2)};
  • pour xR\displaystyle x\in\R, tu(x,t)\displaystyle t\mapsto u(x,t) est continue sur le segment [0;1]\displaystyle [0;1], donc intégrable;
  • x[a;a],t[0;1]\displaystyle \forall x\in[-a;a],\forall t\in[0;1], ux(x,t)2a\displaystyle \left|\frac{\partial u}{\partial x}(x,t)\right|\leq 2a, avec t2a\displaystyle t\mapsto 2a intégrable sur [0;1]\displaystyle [0;1].
    Conclusiong\displaystyle g est définie et de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur [a;a]\displaystyle [-a;a], donc sur R\displaystyle \R car a\displaystyle a est quelconque.
    De plus, en posant u=xt\displaystyle u=xt, on a pour tout xR\displaystyle x\in\R,
    g(x)=01ux(x,t)dt=2xex201e(xt)2dt=2ex20xeu2du.\begin{aligned} g'(x) & = \int_0^1 \frac{\partial u}{\partial x}(x,t)\mathrm{d} t \\ & = -2x e^{-x^2}\int_0^1 e^{-(xt)^2}\mathrm{d}t \\ & = -2 e^{-x^2}\int_0^x e^{-u^2}\mathrm{d}u. \end{aligned}
  1. Posons v(x)=0xeu2du\displaystyle v(x)=\int_0^x e^{-u^2}\mathrm d u. On remarque que g=2vv\displaystyle g'=-2v'v sur R\displaystyle \R. En primitivant, il existe donc une constante cR\displaystyle c\in\R telle que xR,  g(x)=cv(x)2.\displaystyle \forall x\in\R,~~g(x)=c-v(x)^2.
  2. En prenant x=0\displaystyle x=0 on obtient c=g(0)=0111+t2 dt=arctan(1)arctan(0)=π4\displaystyle c=g(0)=\int_0^{1}\frac{1}{1+t^2}~\mathrm d t=\arctan(1)-\arctan(0)=\frac{\pi}{4}.
    On peut majorer : 0g(x)01ex2dt=ex2\displaystyle 0\leq g(x)\leq \int_0^1 e^{-x^2}\mathrm d t=e^{-x^2}, ce qui entraîne limx+g(x)=0\displaystyle \lim_{x\to+\infty} g(x)=0.
    On a donc limx+(cv(x)2)=0\displaystyle \lim_{x\to+\infty}(c-v(x)^2)=0, et ainsi limx+v(x)2=(0+ex2dx)=π4.\lim_{x\to+\infty} v(x)^2=\left(\int_0^{+\infty} e^{-x^2}\mathrm d x\right)=\frac\pi 4.
    Finalement 0+ex2dx=π2\displaystyle \int_0^{+\infty} e^{-x^2}\mathrm d x =\frac{\sqrt\pi }{2}.

Exercice 371 ⭐️⭐️ 01tx11+t dt\displaystyle \int_0^1 \frac{t^{x-1}}{1+t}~dt, Spé/L2

Soit f\displaystyle f définie par l’expression f(x)=01tx11+t dt\displaystyle f(x)=\int_0^1 \frac{t^{x-1}}{1+t}~dt.

  1. Déterminer le domaine de définition de f\displaystyle f, puis étudier ses variations.
  2. Démontrer que f\displaystyle f est continue sur son domaine de définition.
  3. Calculer f(x+1)+f(x)\displaystyle f(x+1)+f(x) pour x>0\displaystyle x>0.
  4. Donner un équivalent de f\displaystyle f en 0+\displaystyle 0^+, puis en +\displaystyle +\infty.
  1. Convergence de l’intégrale pour x\displaystyle x fixé. Comparer f(x)\displaystyle f(x) et f(y)\displaystyle f(y) pour xy\displaystyle x\leq y.
  2. Appliquer le théorème.
  3. Que donne l’égalité de 3. quand x0+\displaystyle x\to 0^+ ? Quand x+\displaystyle x\to+\infty ?
  1. \displaystyle \bullet Soit xR\displaystyle x\in\R, on pose u(x,t)=tx11+t\displaystyle u(x,t)= \frac{t^{x-1}}{1+t} pour t]0;1]\displaystyle t\in]0;1].
    tu(x,t)\displaystyle t\mapsto u(x,t) est continue sur ]0;1]\displaystyle ]0;1], positive, et u(x,t)t0tx1\displaystyle u(x,t)\underset{t\to 0}\sim t^{x-1}, donc par comparaison avec une intégrale de Riemann, 01tx11+tdt\displaystyle \int_0^1 \frac{t^{x-1}}{1+t}dt est convergente ssi x>0\displaystyle x>0. Le domaine de définition est donc ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
    \displaystyle \bullet soit 0<x<y\displaystyle 0<x<y. Pour t]0;1]\displaystyle t\in]0;1], ty11+ttx11+t\displaystyle \frac{t^{y-1}}{1+t}\leq\frac{t^{x-1}}{1+t}.
    Donc par croissance de l’intégrale, f(y)f(x)\displaystyle f(y)\leq f(x). Ainsi f\displaystyle f est décroissante.
  2. Fixons a>0\displaystyle a>0.
    -pour t]0;1]\displaystyle t\in]0;1], xu(x,t)\displaystyle x\mapsto u(x,t) est continue sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[;
    -pour x]0;+[\displaystyle x\in]0;+\infty[, tf(x,t)\displaystyle t\mapsto f(x,t) est CPM sur ]0;1]\displaystyle ]0;1];
    -x[a;+[,t]0;1]\displaystyle \forall x\in[a;+\infty[,\forall t\in]0;1], u(x,t)ta11+t\displaystyle |u(x,t)|\leq \frac{t^{a-1}}{1+t}, avec tta11+t\displaystyle t\mapsto \frac{t^{a-1}}{1+t} intégrable sur ]0;1]\displaystyle ]0;1] (voir 1.).
    Conclusion. f\displaystyle f est continue sur [a;+[\displaystyle [a;+\infty[, avec a>0\displaystyle a>0 quelconque, donc sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
  3. Soit x>0\displaystyle x>0. f(x+1)+f(x)=01tx1+tx1+t dt=01tx1 dt=1x\displaystyle f(x+1)+f(x)=\int_0^1 \frac{t^{x-1}+t^x}{1+t}~dt = \int_0^1 t^{x-1}~dt =\frac 1x.
  4. En 0+\displaystyle 0^+ : f(x+1)f(1)\displaystyle f(x+1)\to f(1) et 1x+\displaystyle \frac 1x\to +\infty, donc f(x)x0+1x\displaystyle f(x)\underset{{x\to 0^+}}\sim\frac 1x.
    En +\displaystyle +\infty : puisque f\displaystyle f est décroissante, on a l’encadrement
    1x=f(x+1)+f(x)2f(x)f(x)+f(x1)=1x1.\frac 1x=f(x+1)+f(x)\leq 2f(x) \leq f(x)+f(x-1)=\frac{1}{x-1}. On en déduit que f(x)x+12x\displaystyle f(x)\underset{{x\to+\infty}}\sim \frac{1}{2x}.

Exercice 372 ⭐️⭐️ 0eatebttdt\displaystyle \int_0^\infty \frac{e^{-at}-e^{-bt}}{t}dt, Spé/L2

  1. Justifier l’existence de 0eatebtt dt\displaystyle \int_0^\infty \frac{e^{-at}-e^{-bt}}{t}~dt pour a,b>0\displaystyle a,b>0.
  2. Calculer cette intégrale en faisant varier le paramètre a\displaystyle a.
  1. Convergence d’une intégrale 👉 Étude du comportement asymptotique de la fonction aux bornes de l’intervalle.
  2. Un paramètre dans une intégrale ça permet de faire quoi en terme de calcul ? 👉 Dériver !
  1. Si a=b\displaystyle a=b, c’est l’intégrale de la fonction nulle. Supposons ab\displaystyle a\neq b. Alors eatebttx0(ba)tt=ba,\frac{e^{-at}-e^{-bt}}{t}\underset{x\to 0}{\sim}\frac{(b-a)t}{t}=b-a, donc l’intégrale est faussement impropre en 0\displaystyle 0. Quand t+\displaystyle t\to+\infty, eatt=o(eat)\displaystyle \frac{e^{-at}}{t}=o\left(e^{-at}\right) et ebtt=o(ebt)\displaystyle \frac{e^{-bt}}{t}=o\left(e^{-bt}\right), donc par comparaison l’intégrale est absolument convergente au voisinage de +\displaystyle +\infty.
  2. Fixons b>0\displaystyle b>0 et posons u(a,t)=eatebtt\displaystyle u(a,t)=\frac{e^{-at}-e^{-bt}}{t}.
  • pour t>0\displaystyle t>0, au(a,t)\displaystyle a\mapsto u(a,t) est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[ et ua(a,t)=eat\displaystyle \frac{\partial u}{\partial a}(a,t) = -e^{-at};
  • pour a>0\displaystyle a>0, tu(a,t)\displaystyle t\mapsto u(a,t) et tua(a,t)\displaystyle t\mapsto \frac{\partial u}{\partial a}(a,t) sont continues sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[;
  • pour a>0\displaystyle a>0, tu(a,t)\displaystyle t\mapsto u(a,t) est intégrable sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[ (voir 1.);
  • Fixons A>0\displaystyle A>0. On a : a[A;+[, t>0,ua(a,t)eAt\displaystyle \forall a\in[A;+\infty[,~\forall t>0,\left|\frac{\partial u}{\partial a}(a,t)\right|\leq e^{-At}, avec teAt\displaystyle t\mapsto e^{-At} intégrable sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
    Conclusion. La fonction F:a0eatebtt dt\displaystyle F:a\mapsto \int_0^\infty \frac{e^{-at}-e^{-bt}}{t}~dt est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[, et a>0, F(a)=0eatdt=1a.\forall a>0,~F'(a)= \int_0^\infty -e^{-at}dt=-\frac{1}{a}.
    Il existe donc cR\displaystyle c\in\R tel que a>0, F(a)=cln(a).\displaystyle \forall a>0,~F(a)= c-\ln(a).
    Avec l’égalité F(b)=0\displaystyle F(b)=0, on a finalement F(a)=ln(b)ln(a)=ln(ba).\displaystyle F(a)= \ln(b)-\ln(a)=\ln\left(\frac ba\right).

Exercice 373 ⭐️⭐️ 0ext1+t2dt\displaystyle \int_0^{\infty}\frac{e^{-xt}}{1+t^2}dt, Spé/L2

On pose F(x)=0+ext1+t2dt\displaystyle F(x)=\int_0^{+\infty}\frac{e^{-xt}}{1+t^2}dt.

  1. Montrer que F\displaystyle F est définie et continue sur [0;+[\displaystyle [0;+\infty[.
  2. Montrer que F\displaystyle F est solution de l’équation différentielle y+y=1x\displaystyle y''+y=\frac 1x sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[.
  3. Déterminer la limite de F\displaystyle F en +\displaystyle +\infty.
  1. Théorème de continuité d’une intégrale à paramètre.
  2. Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
  3. Limite d’une expression qu’on ne sait pas calculer 👉 Majorer F\displaystyle |F|.
  1. On pose f(x,t)=ext1+t2\displaystyle f(x,t)=\frac{e^{-xt}}{1+t^2}.
  • Pour tR+\displaystyle t\in\R_+, xf(x,t)\displaystyle x\mapsto f(x,t) est continue sur R+\displaystyle \R_+;
  • pour xR+\displaystyle x\in\R_+, tf(x,t)\displaystyle t\mapsto f(x,t) est CPM sur R+\displaystyle \R_+;
  • xR+,tR+\displaystyle \forall x\in\R_+,\forall t\in\R_+, f(x,t)11+t2\displaystyle |f(x,t)|\leq \frac{1}{1+t^2}, avec t11+t2\displaystyle t\mapsto \frac{1}{1+t^2} intégrable sur R+\displaystyle \R_+.
    Conclusion. F\displaystyle F est définie, et continue sur R+\displaystyle \R_+.
  1. Vérifions les hypothèses supplémentaires pour utiliser le théorème de dérivation deux fois d’une intégrale à paramètre. Fixons un segment [a,b]]0;+[\displaystyle [a,b]\subset]0;+\infty[.
  • pour tR+\displaystyle t\in\R_+, xf(x,t)\displaystyle x\mapsto f(x,t) est C2\displaystyle \mathcal C^2 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[, avec fx(x,t)=text1+t2,2fx2(x,t)=t2ext1+t2;\frac{\partial f}{\partial x}(x,t)=\frac{-t e^{-xt}}{1+t^2},\qquad\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} (x,t)=\frac{t^2e^{-xt}}{1+t^2};
  • pour x>0\displaystyle x>0, ttext1+t2\displaystyle t\mapsto \frac{-t e^{-xt}}{1+t^2} est intégrable sur R+\displaystyle \R_+. En effet la fonction ttext1+t2\displaystyle t\mapsto \frac{-t e^{-xt}}{1+t^2} est continue sur [0;+[\displaystyle [0;+\infty[ et négligeable devant ext\displaystyle e^{-xt} quand t+\displaystyle t\to+\infty;
  • pour x[a;b]\displaystyle x\in[a;b] et tR+\displaystyle t\in\R_+, t2ext1+t2eat\displaystyle \left|\frac{t^2e^{-xt}}{1+t^2}\right|\leq e^{-at}, avec teat\displaystyle t\mapsto e^{-at} intégrable sur R+\displaystyle \R_+.
    Conclusion. F\displaystyle F est C2\displaystyle \mathcal C^2 sur [a;b]\displaystyle [a;b], avec a,b>0\displaystyle a,b>0 quelconques, donc sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[. De plus : x>0, F(x)=0+t2ext1+t2dt.\forall x>0,~F''(x)=\int_0^{+\infty}\frac{t^2 e^{-xt}}{1+t^2}dt. Ainsi pour x>0\displaystyle x>0 :
    F(x)+F(x)=0+(1+t2)ext1+t2dt=0+extdt=1x.F''(x)+F(x)=\int_0^{+\infty}\frac{(1+t^2) e^{-xt}}{1+t^2}dt = \int_0^{+\infty}e^{-xt}dt = \frac 1x.
  1. La majoration f(x,t)ext\displaystyle |f(x,t)|\leq e^{-xt} donne F(x)1x\displaystyle |F(x)|\leq \frac 1x, et donc limx+F(x)=0\displaystyle \lim_{x\to+\infty} F(x)=0.

Exercice 374 ⭐️⭐️ 0π/2cos(t)t+xdt\displaystyle \int_0^{\pi/2}\frac{\cos(t)}{t+x}dt, Spé/L2

Pour x>0\displaystyle x>0 on définit f(x)=0π/2cos(t)t+x dt\displaystyle f(x)=\int_0^{\pi/2}\frac{\cos(t)}{t+x}~dt.

  1. Justifier que f\displaystyle f est de classe C1\displaystyle \mathcal C^1 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[, et étudier les variations de f\displaystyle f.
  2. Déterminer un équivalent de f\displaystyle f en +\displaystyle +\infty, à l’aide d’un encadrement simple.
  3. Montrer que t[0;π/2], 1t22cos(t)1\displaystyle \forall t\in[0;\pi/2],~1-\frac{t^2}{2}\leq\cos(t)\leq 1.
  4. En déduire que f(x)x0+ln(x)\displaystyle f(x)\underset{x\to 0^+}\sim -\ln(x).
  1. Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
  2. Encadrer la fonction dans l’intégrale quand t[0;π/2]\displaystyle t\in[0;\pi/2], d’une manière qui permette de conclure.
  3. Comparaison d’une fonction avec la partie polynôme de son DL 👉 Taylor avec reste intégral.
  4. Encadrer f(x)\displaystyle f(x).
  1. Posons u(x,t)\displaystyle u(x,t) pour x>0\displaystyle x>0 et t[0;π/2]\displaystyle t\in[0;\pi/2].
  • Pour t[0;π/2]\displaystyle t\in[0;\pi/2], xu(x,t)\displaystyle x\mapsto u(x,t) est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[, et ux(x,t)=cos(t)(t+x)2\displaystyle \frac{\partial u}{\partial x}(x,t)=\frac{-\cos(t)}{(t+x)^2};
  • pour x>0\displaystyle x>0, tu(x,t)\displaystyle t\mapsto u(x,t) et tux(x,t)\displaystyle t\mapsto \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) sont continues sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2];
  • pour x>0\displaystyle x>0, tu(x,t)\displaystyle t\mapsto u(x,t) est intégrable sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2] (fonction continue sur un segment);
  • Pour a>0\displaystyle a>0 fixé, on a : x[a;+[, t[0;π/2], ux(x,t)1(t+a)2\displaystyle \forall x\in[a;+\infty[,~\forall t\in[0;\pi/2],~\left|\frac{\partial u}{\partial x}(x,t)\right|\leq\frac{1}{(t+a)^2}, avec t1(t+a)2\displaystyle t\mapsto \frac{1}{(t+a)^2} intégrable sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2] (là aussi, fonction continue sur un segment).
    Conclusion. f\displaystyle f est C1\displaystyle \mathcal C^1 sur ]0;+[\displaystyle ]0;+\infty[, et x>0,  f(x)=0π/2cos(t)(t+x)2 dt.\forall x>0, ~~f'(x)=\int_0^{\pi/2}\frac{-\cos(t)}{(t+x)^2}~dt.
    Comme la fonction dans l’intégrale est négative sur [0;π/2]\displaystyle [0;\pi/2], on a donc f(x)0\displaystyle f'(x)\leq 0 pour x]0;+[\displaystyle x\in]0;+\infty[. Ainsi f\displaystyle f est décroissante.
  1. Pour t[0;π/2]\displaystyle t\in[0;\pi/2] et x>0\displaystyle x>0 on a : cos(t)x+π/2cos(t)t+xcos(t)x\displaystyle \frac{\cos(t)}{x+\pi/2}\leq \frac{\cos(t)}{t+x}\leq \frac{\cos(t)}{x}. En intégrant on obtient
    1x+π/2f(x)1x.\frac{1}{x+\pi/2}\leq f(x)\leq\frac 1x. On en déduit que f(x)x+1x\displaystyle f(x)\underset{x\to+\infty}\sim \frac 1x.
  2. L’inégalité de droite est bien connue. Par ailleurs, à l’ordre 2\displaystyle 2, Taylor avec reste intégral donne, pour t[0;π/2]\displaystyle t\in[0;\pi/2] : cos(t)=1t22+0t(tu)nn!sin(u)0 car u[0;π/2]du.\cos(t)=1-\frac{t^2}{2}+\int_0^t \underbrace{\frac{(t-u)^n}{n!}\sin(u)}_{\geq 0\text{ car }u\in[0;\pi/2]}du. donc cos(t)1t22\displaystyle \cos(t)\geq 1-\frac{t^2}{2}.
    Remarque. Cette inégalité reste en fait vraie pour tR\displaystyle t\in\R. Mais ceci ne se déduit pas aussi aisément de Taylor-R.I. (on peut en revanche faire une étude de fonction…)
  3. En intégrant cet encadrement on obtient pour x>0\displaystyle x>0 :
    0π/21t2/2t+x dtf(x)0π/21t+x dt.\int_0^{\pi/2}\frac{1-t^2/2}{t+x}~dt\leq f(x)\leq \int_0^{\pi/2}\frac{1}{t+x}~dt. Or
  • 0π/21t+x dt=ln(x+π/2)ln(x)x0ln(x);\displaystyle \int_0^{\pi/2}\frac{1}{t+x}~dt=\ln(x+\pi/2)-\ln(x)\underset{x\to 0}\sim -\ln(x);
  • 0π/21t2/2t+x dt=0π/21t+x dt12xx+π/2(tx)2t dt\displaystyle \int_0^{\pi/2}\frac{1-t^2/2}{t+x}~dt=\int_0^{\pi/2}\frac{1}{t+x}~dt-\frac 12\int_x^{x+\pi/2}\frac{(t-x)^2}{t}~dt
      =\displaystyle ~~\qquad\qquad\quad=\dots
      =ln(x+π/2)ln(x)12[(x+π/2)2x22πx+x2(ln(x+π/2)ln(x))]\displaystyle ~~\qquad\qquad\quad=\ln(x+\pi/2)-\ln(x)-\frac 12\left[\frac {(x+\pi/2)^2-x^2}{2}-\pi x+x^2(\ln(x+\pi/2)-\ln(x))\right].
    Cette expression équivaut aussi à ln(x)\displaystyle -\ln(x) en 0\displaystyle 0 (tous les autres termes ont une limite finie).

Conclusion. Par encadrement on a donc f(x)x0ln(x).f(x)\underset{x\to 0}\sim -\ln(x).

Exercice 425 ⭐️⭐️ Fonctions Beta et Gamma, MP/L3

On définit les fonctions Beta par B(x,y)=01tx1(1t)y1dt\displaystyle B(x,y)=\int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}dt, x,y>0\displaystyle x,y>0, et Gamma par Γ(x)=0tx1etdt\displaystyle \Gamma(x)=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}dt, x>0\displaystyle x>0. Montrer que B(x,y)=Γ(x)Γ(y)Γ(x+y),x,y>0.B(x,y)=\frac{\Gamma(x)\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}, \quad x,y>0.

  • On aime pas les dénominateurs donc on calcule Γ(x)Γ(y)\displaystyle \Gamma(x)\Gamma(y) ;
  • Produit de deux intégrales 👉 Fubini !

Soit x,y>0\displaystyle x,y>0. On a, en appliquant Fubini de façon répétée et en utilisant les changements de variable u=tv\displaystyle u=tv puis t=t(1+v)\displaystyle t'=t(1+v) :
Γ(x)Γ(y)=0tx1etdt0uy1eudu=0tx1et0(tv)y1etvtdv dt=0vy10tx+y1et(1+v)dt dv=0vy1(1+v)x+y0tx+y1etdt dv=Γ(x+y)0vy1(1+v)x+ydv.\begin{aligned} \Gamma(x)\Gamma(y)&=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}dt\int_0^\infty u^{y-1}e^{-u}du \\ &=\int_0^\infty t^{x-1}e^{-t}\int_0^\infty (tv)^{y-1}e^{-tv}tdv\ dt\\ &= \int_0^\infty v^{y-1}\int_0^\infty t^{x+y-1} e^{-t(1+v)}dt\ dv\\ &=\int_0^\infty \frac{v^{y-1}}{(1+v)^{x+y}}\int_0^\infty t^{x+y-1} e^{-t}dt\ dv\\ &=\Gamma(x+y)\int_0^\infty \frac{v^{y-1}}{(1+v)^{x+y}}dv.\end{aligned} On peut traiter la dernière intégrale grâce à une réécriture puis au changement de variable w=v1+v\displaystyle w=\frac{v}{1+v}, i.e. v=w1w\displaystyle v=\frac{w}{1-w} et dv=dw(1w)2\displaystyle dv=\frac{dw}{(1-w)^2} :
0vy1(1+v)x+ydv=0(v1+v)y1(11+v)x1dv(1+v)2=01wy1(1w)x1dw,\begin{aligned} \int_0^\infty \frac{v^{y-1}}{(1+v)^{x+y}}dv & =\int_0^\infty \left(\frac{v}{1+v}\right)^{y-1}\left(\frac{1}{1+v}\right)^{x-1}\frac{dv}{(1+v)^2}\\ & =\int_0^1 w^{y-1}(1-w)^{x-1}dw,\end{aligned} ce qu’on voulait !

Exercice 430 ⭐️⭐️ 0π2arctan(xtant)dt\displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\arctan (x\tan t)dt, Spé/L2

On pose, pour xR\displaystyle x \in \R, F(x)=0π2arctan(xtant)dt.F(x)=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\arctan (x\tan t)\,\mathrm dt.

  1. Montrer que F\displaystyle F est définie sur R\displaystyle \mathbb{R} et impaire.
  2. Montrer que F\displaystyle F est continue sur R\displaystyle \mathbb{R}.
  3. Montrer que F\displaystyle F est de classe C1\displaystyle \mathcal C^{1} sur R\displaystyle \mathbb{R}^* et donner une expression de F(x)\displaystyle F'(x) sans \displaystyle \int grâce au changement de variable u=xtant\displaystyle u=x\tan t .
  4. Montrer que F(x)π24\displaystyle \left|F(x)\right|\le \frac{\pi^{2}}{4} pour tout réel x.\displaystyle x.
  5. Montrer que F(x)π24\displaystyle F(x)\rightarrow \frac{\pi^{2}}{4} lorsque x+\displaystyle x\rightarrow+\infty.

👉 on retourne voir dans son cours les énoncés précis des théorèmes de régularité des intégrales à paramètre ! Le but de l’exercice est clairement de tester si on sait appliquer ces théorèmes.

  1. Soit xR\displaystyle x \in \R fixé. La fonction tarctan(xtan(t))\displaystyle t \mapsto \arctan(x \tan(t)) est continue sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[. De plus, on a la majoration arctan(xtan(t))π2,|\arctan(x \tan(t))| \le \frac{\pi}{2}, et la fonction constante égale à π/2\displaystyle \pi/2 est intégrable sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[. On en déduit que l’intégrale F(x)=0π/2arctan(xtan(t))dt\displaystyle F(x) = \int_0^{\pi/2} \arctan(x \tan(t)) \mathrm dt existe bien. L’identité F(x)=F(x)\displaystyle F(-x)=-F(x) découle directement de l’imparité de la fonction arctan\displaystyle \arctan.
  2. On introduit la fonction ϕ:R×]0,π/2[R\displaystyle \phi : \R \times ]0,\pi/2[ \rightarrow \R définie par ϕ(x,t)=arctan(xtan(t)).\phi(x,t) = \arctan\left(x \tan(t)\right). On vérifie que :
  • Si xR\displaystyle x\in \R est fixé, la fonction tϕ(x,t)\displaystyle t \mapsto \phi(x,t) est continue sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[,
  • Si t]0,π/2[\displaystyle t\in ]0,\pi/2[ est fixé, la fonction xϕ(x,t)\displaystyle x \mapsto \phi(x,t) est continue sur R\displaystyle \R,
  • La fonction g\displaystyle g constante égale à π2\displaystyle \frac{\pi}{2} est intégrable sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[ et on a ϕ(x,t)g(t)\displaystyle |\phi(x,t)| \le g(t) quel que soit xR\displaystyle x \in \R.
    Le théorème de régularité des intégrales à paramètres permet alors de conclure que F\displaystyle F est continue sur R\displaystyle \R.
  1. On calcule : xϕ(x,t)=tan(t)11+x2tan2(t).\frac{\partial}{\partial x} \phi(x,t) = \tan(t) \frac{1}{1+x^2 \tan^2(t)}. La fonction txϕ(x,t)\displaystyle t \mapsto \frac{\partial}{\partial x} \phi(x,t) est bien continue sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[. On va montrer que F\displaystyle F est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur tout intervalle ]A,[\displaystyle ]A,\infty[, avec A>0\displaystyle A>0. Pour cela, on considère la fonction h:ttan(t)1+A2tan2(t).\displaystyle h : t \mapsto \frac{\tan(t)}{1+A^2 \tan^2(t)}. Comme la fonction tan\displaystyle \tan est positive sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[, on a l’inégalité : x>A , t]0,π/2[ , xϕ(x,t)h(t).\forall x > A \ , \ \forall t\in ]0,\pi/2[ \ , \ \left|\frac{\partial}{\partial x} \phi(x,t) \right| \le h(t).
    Comme la fonction h\displaystyle h est continue et bornée sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[ (elle est de limite nulle en π/2\displaystyle \pi/2), elle est intégrable sur cet intervalle. On a donc trouvé une majoration uniforme en x]A,[\displaystyle x \in ]A,\infty[ pour la dérivée partielle. On peut donc appliquer le théorème de régularité des intégrales à paramètre, qui permet de conclure que F\displaystyle F est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur tout ]A,[\displaystyle ]A,\infty[, donc sur R+\displaystyle \R_+^*. On montre le même résultat sur R\displaystyle \R_-^* en considérant les intervalles ],A[\displaystyle ]-\infty,-A[ pour A>0\displaystyle A>0 et la même fonction h\displaystyle h (ou bien on fait appel à un argument de parité).

Pour le calcul explicite de F(x)\displaystyle F'(x), c’est le voyage au bout de l’enfer… Les calculs sont longs, on risque de se planter à chaque étape, il faut garder son sang-froid. J’ai presque honte d’avouer que je trouve ce genre de calculs très plaisants. Allons-y : on se fixe x>0\displaystyle x>0 (pour l’instant). Le changement de variables u(t)=xtan(t)\displaystyle u(t) = x \tan(t) est un difféormorphisme strictement croissant entre ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[ et ]0,+[\displaystyle ]0,+\infty[ et on a du(t)dt=x(1+tan2(t))=x(1+u(t)2x2).\frac{du(t)}{dt} = x(1+\tan^2(t)) = x\left(1+\frac{u(t)^2}{x^2}\right). On peut donc écrire : F(x)=0ux11+u21x(1+u2x2)du=0u(1+u2)(x2+u2)du.F'(x) = \int_0^\infty \frac{u}{x} \frac{1}{1+u^2} \frac{1}{x\left(1+\frac{u^2}{x^2}\right)} du = \int_0^\infty \frac{u}{(1+u^2)(x^2+u^2)} du. On s’est ramenés à un calcul d’intégrale d’une fraction rationnelle, on va donc décomposer celle-ci en éléments simples. On obtient (en supposant dans un premier temps que x1\displaystyle x\neq 1): 1(1+u2)(x2+u2)=1x21(11+u21x2+u2),\frac{1}{(1+u^2)(x^2+u^2)} = \frac{1}{x^2-1}\left(\frac{1}{1+u^2}-\frac{1}{x^2+u^2}\right), et on en déduit qu’une primitive de uu(1+u2)(x2+u2)\displaystyle u \mapsto \frac{u}{(1+u^2)(x^2+u^2)} est 12(x21)ln(1+u2x2+u2).\frac{1}{2(x^2-1)} \ln\left(\frac{1+u^2}{x^2+u^2}\right). Le calcul de l’intégrale est maintenant facile : F(x)=12(x21)(limuln(1+u2x2+u2)ln(1x2))=ln(x)x21.F'(x) = \frac{1}{2(x^2-1)} \left( \lim_{u \to \infty} \ln\left(\frac{1+u^2}{x^2+u^2}\right) - \ln\left(\frac{1}{x^2}\right)\right) = \frac{\ln(x)}{x^2-1}. Pour calculer F(1)\displaystyle F'(1), on peut tenter de refaire la méthode par décomposition en éléments simples (mais là j’ai la flemme), ou exploiter la continuité de la fonction F\displaystyle F', établie en début de question. On a donc : F(1)=limx1F(x)=limx1(x1)+o(x1)(x1)(x+1)=12.F'(1) = \lim_{x \to 1} F'(x) = \lim_{x \to 1} \frac{(x-1)+o(x-1)}{(x-1)(x+1)} = \frac{1}{2}.
4. C’est très simple, on a arctan(u)π2\displaystyle |\arctan(u)| \le \frac{\pi}{2}, et on conclut par l’inégalité triangulaire.
5. L’expression de F\displaystyle F' montre que F\displaystyle F est croissante sur [1,[\displaystyle [1,\infty[. Pour montrer que limxF(x)=π24\displaystyle \lim_{x \to \infty} F(x) = \frac{\pi^2}{4}, il suffit de montrer que limnF(n)=π24\displaystyle \lim_{n \to \infty} F(n) = \frac{\pi^2}{4}. Cela découle d’une application directe du théorème de convergence dominée : on pose fn(t)=arctan(ntan(t))\displaystyle f_n(t) = \arctan(n \tan(t)), pour n1\displaystyle n \ge 1 et t]0,π/2[\displaystyle t \in ]0,\pi/2[. La suite fn\displaystyle f_n converge simplement vers la fonction f\displaystyle f constante égale à π/2\displaystyle \pi/2, et on a fnπ/2\displaystyle |f_n| \le \pi/2, qui est intégrable sur ]0,π/2[\displaystyle ]0,\pi/2[.

Exercice 474 ⭐️⭐️ Fonction Beta, Spé/L2

Soit 0<s<1\displaystyle 0<s<1 et k1\displaystyle k\ge1 un entier. Après avoir montré que la première intégrale est bien définie, établir que : 0xs1(1+x)kdx=01(1u)s1uks1du.\int_0^\infty \frac{x^{s-1}}{(1+x)^k} dx = \int_0^1 (1-u)^{s-1} u^{k-s-1} du.

Changement de variable !

En 0\displaystyle 0 le terme divergent xs1\displaystyle x^{s-1} est intégrable car 0<s<1\displaystyle 0<s<1. En +\displaystyle +\infty, l’intégrande est intégrable car k+1s>1\displaystyle k+1-s>1.

Faisons le changement de variables u=11+x\displaystyle u=\frac{1}{1+x}, i.e. x=1u1\displaystyle x=\frac1u-1. On obtient :
0xs1(1+x)kdx=01(1u1)s1ukduu2=01(1u)s1uks1du.\begin{aligned} \int_0^\infty \frac{x^{s-1}}{(1+x)^k} dx & = - \int_0^1 \left(\frac{1}{u}-1\right)^{s-1} u^k \frac{du}{-u^2} \\ & = \int_0^1 (1-u)^{s-1} u^{k-s-1} du.\\ \end{aligned}