Exercice 21 ⭐️⭐️ Convergence vers un Dirac, Spé/L3
Soit ϕ une fonction continue sur R à support compact (i.e. ϕ est nulle en dehors d’un intervalle borné).
Montrer que : ∫Rπ(x2+σ2)σϕ(x)dxσ→0⟶ϕ(0).
Réflexes
Changement de variable (pour avoir par exemple un paramètre dans le ϕ et utiliser sa continuité).
Corrigé
Avec le changement de variable x=σu, on obtient I(σ)=∫Rπ(x2+σ2)σϕ(x)dx=∫Rπ(u2+1)1ϕ(σu)du. Comme ϕ est continue sur J compact et nulle en dehors, alors ϕ est bornée, et pour tout u∈R et σ∈R, u2+1∣ϕ(σu)∣≤u2+1M qui est intégrable sur R.
Donc on peut appliquer le théorème de convergence dominée. Comme pour tout u∈R, ϕ(σu)σ→0ϕ(0) car ϕ est continue, on en déduit que σ→0limI(σ)=∫Rσ→0limπ(u2+1)ϕ(σu)du=∫Rπ(u2+1)ϕ(0)du=ϕ(0).
Soit f>0 une fonction continue sur [0,1]. On pose I(α)=(∫01f(x)αdx)1/α. Déterminer α→0limI(α).
Réflexes
yβ 👉 Écriture eβln(y).
Corrigé
Notons J(α)=∫01f(x)αdx. On s’empresse d’écrire I(α)=eα−1ln(J(α)). On a J(0)=1 et donc on peut interpréter la quantité dans l’exponentielle comme un taux d’accroissement : T(α):=αln(J(α))=α−0ln(J(α))−ln(J(0)). Posons h(x)=ln(J(x)). Si J est dérivable en 0 alors on α→0+limT(α)=h′(0)=J(0)J′(0)=J′(0). Il faut donc étudier J qui est une intégrale dépendant d’un paramètre. Posons g(x,α)=f(x)α=eαln(f(x)) qui est continue sur [0,1]×[−1,1] (on a pris [−1,1] par exemple pour contenir 0). De plus ∂α∂g(x,α)=ln(f(x))f(x)α est continue [0,1]×[−1,1]. On en déduit que J est dérivable sur [−1,1] et que J′(α)=∫01ln(f(x))f(x)αdx. Finalement, comme t↦et est continue, il vient α→0+limI(α)=eJ′(0)=e∫01ln(f(x))dx.
Exercice 23 ⭐️⭐️⭐️ Intégrale de Dirichlet, Spé/L3/Classique
On souhaite calculer la valeur de I0=∫0+∞tsintdt.
On pose pour cela I(x)=∫0+∞e−xttsintdt , x>0.
Montrer que I est définie sur R+, et C1 sur R+∗.
Calculer I′(x) pour x>0, puis I(x).
Montrer que I est continue en 0 et en déduire la valeur de I0.
On pourra utiliser une intégration par parties.
Réflexes
Intégrale à paramètre 👉 Dérivation sous le signe somme !
On voit e... et sin 👉 On écrit sin(t) comme partie imaginaire de eit.
Intégration par parties 👉 Choisir le sens qui nous arrange.
Corrigé
∙ Soit x>0. La majoration ∣∣∣∣∣e−xttsint∣∣∣∣∣≤e−xt donne l’intégrabilité de t↦e−xttsint sur ]0;+∞[. ∙ Pour x=0, t↦tsint est prolongeable par continuité en 0 donc intégrable sur ]0;1]. Par ailleurs, une IPP donne ∫1Atsintdt=Cste−AcosA−∫1At2costdt, qui possède une limite finie quand A→+∞ car d’une part AcosA→0, et d’autre part l’intégrale de droite est absolument convergente (puisque ∣∣∣∣∣t2cost∣∣∣∣∣≤t21). Remarque. Pour une preuve légèrement différente de ce point classique, on pourra consulter l’exo 20. ∙ Vérifions les hypothèses du théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
(i) x↦e−xttsint est C1 par rapport à x pour t>0 fixé et ∂x∂(e−xttsint)=−e−xtsin(t);
(ii) t↦e−xttsint et t↦−e−xtsint sont continues (par morceaux) sur ]0;+∞[ pour x>0 fixé;
(iii) t↦e−xttsint est intégrable sur ]0;+∞[ pour x>0 fixé;
(iii) Pour un segment [a;b]⊂]0;+∞[, on a : ∀x∈[a;b],∀t>0,∣∣∣−e−xtsin(t)∣∣∣≤e−at, avec t↦e−at intégrable sur ]0;+∞[. Conclusion.I est C1 sur R+∗ et ∀x>0,I′(x)=∫0+∞−e−xtsin(t)dt.
Pour x>0, I′(x)=∫0+∞−e−xtsin(t)dt=−Im(∫0+∞e(−x+i)tdt)=−Im(x−i1)=1+x2−1 Ainsi il existe C∈R tel que ∀x>0,I(x)=C−arctan(x). On examine la limite en +∞ pour déterminer C. La majoration ∣∣∣∣∣e−xttsint∣∣∣∣∣≤e−xt donne ∣I(x)∣≤x1 donc I(x)x→+∞→. Finalement : ∀x>0,I(x)=2π−arctan(x).
Soit x>0. Notons F(t)=∫0tusin(u)du. On remarque que t→+∞limF(t)=I0, et que, F étant continue sur R+ et de limite finie en +∞, ∣F∣ est bornée par une constante K. Ainsi I(x)=∫0+∞e−xttsintdt==0[e−xtF(t)]0+∞+∫0+∞xe−xtF(t)dt=∫0+∞e−uF(xu)du.
La majoration ∣∣∣∣e−uF(xu)∣∣∣∣≤Ke−u permet de conclure, par convergence dominée, que x→0limI(x)=∫0+∞e−uI0du=I0=I(0) Conclusion. Par continuité, l’égalité de 2. reste vraie pour x=0, ce qui donne I0=2π.
Exercice 354 ⭐️⭐️ La domination est indispensable, Spé/L2
On pose G(x)=∫0+∞xe−xtdt.
Justifier que G est définie sur R+.
Existe t-il une fonction ϕ intégrable sur R+ telle que ∀(x,t)∈(R+)2,∣∣∣xe−xt∣∣∣≤ϕ(t) ?
La fonction G est-elle continue en 0 ?
Réflexes
Pour x≥0 fixé, étudier la convergence de l’intégrale.
Prendre la borne supérieure pour x∈R+.
Comparer G(0) avec x→0+limG(x).
Corrigé
Pour x=0 la fonction t↦xe−xt est nulle donc son intégrale converge.
Pour x>0, l’intégrale converge car ∫0∞e−xtdt est une intégrale convergente (intégrale de référence).
Supposons : ∀(x,t)∈(R+)2,∣∣∣xe−xt∣∣∣≤ϕ(t).
Alors on a, pour t≥0 : x≥0supxe−xt≤ϕ(t).
Fixons t≥0. L’application u:x↦xe−xt est dérivable sur R+ avec u′(x)=(1−tx)e−xt. Ainsi u est croissante sur [0;1/t], décroissante sur [1/t;+∞].
Comme u est positive sur R+ on a donc x≥0supxe−xt=u(t1)=et1.
Finalement pour tout t≥0, ϕ(t)≥et1, or t↦et1 est non intégrable sur R+, donc cette inégalité est incompatible avec la condition "ϕ intégrable". La réponse est donc négative.
On ne peut donc pas appliquer le théorème de continuité d’une intégrale à paramètre. De fait, on observe que G n’est pas continue en 0 puisque d’une part G(0)=0, et d’autre part pour x>0 le calcul donne G(x)=1.
Exercice 355 ⭐️⭐️ Intégrale de Gauss, Spé/L2/Classique
On souhaite calculer I=∫0+∞e−u2du. On introduit pour cela la fonction g(x)=∫011+t2e−x2(1+t2)dt.
Montrer que g est définie et de classe C1 sur R, et que ∀x∈R, g′(x)=−2e−x2∫0xe−u2du..
Montrer qu’il existe une constante c∈R telle que ∀x∈R,g(x)=c−(∫0xe−u2du)2.
En déduire la valeur de I.
Réflexes
Dériver une intégrale à paramètre 👉 Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre
(il fallait y penser ! 😂)
On veut obtenir g(x), connaissant g′(x) 👉 Primitivation.
On a une relation avec ∫0xe−u2du et on veut ∫0+∞e−u2du 👉 Faire tendre x vers +∞.
Corrigé
Posons u(x,t)=1+t2e−x2(1+t2), et fixons un segment [−a;a]⊂R.
Pour t∈[0;1], x↦u(x,t) est C1 sur R et ∂x∂u(x,t)=−2xe−x2(1+t2);
pour x∈R, t↦u(x,t) est continue sur le segment[0;1], donc intégrable;
∀x∈[−a;a],∀t∈[0;1], ∣∣∣∣∣∂x∂u(x,t)∣∣∣∣∣≤2a, avec t↦2a intégrable sur [0;1]. Conclusion — g est définie et de classe C1 sur [−a;a], donc sur R car a est quelconque.
De plus, en posant u=xt, on a pour tout x∈R, g′(x)=∫01∂x∂u(x,t)dt=−2xe−x2∫01e−(xt)2dt=−2e−x2∫0xe−u2du.
Posons v(x)=∫0xe−u2du. On remarque que g′=−2v′v sur R. En primitivant, il existe donc une constante c∈R telle que ∀x∈R,g(x)=c−v(x)2.
En prenant x=0 on obtient c=g(0)=∫011+t21dt=arctan(1)−arctan(0)=4π.
On peut majorer : 0≤g(x)≤∫01e−x2dt=e−x2, ce qui entraîne x→+∞limg(x)=0.
On a donc x→+∞lim(c−v(x)2)=0, et ainsi x→+∞limv(x)2=(∫0+∞e−x2dx)=4π.
Finalement ∫0+∞e−x2dx=2π.
Exercice 371 ⭐️⭐️ ∫011+ttx−1dt, Spé/L2
Soit f définie par l’expression f(x)=∫011+ttx−1dt.
Déterminer le domaine de définition de f, puis étudier ses variations.
Démontrer que f est continue sur son domaine de définition.
Calculer f(x+1)+f(x) pour x>0.
Donner un équivalent de f en 0+, puis en +∞.
Réflexes
Convergence de l’intégrale pour x fixé. Comparer f(x) et f(y) pour x≤y.
Appliquer le théorème.
…
Que donne l’égalité de 3. quand x→0+ ? Quand x→+∞ ?
Corrigé
∙ Soit x∈R, on pose u(x,t)=1+ttx−1 pour t∈]0;1]. t↦u(x,t) est continue sur ]0;1], positive, et u(x,t)t→0∼tx−1, donc par comparaison avec une intégrale de Riemann, ∫011+ttx−1dt est convergente ssi x>0. Le domaine de définition est donc ]0;+∞[. ∙ soit 0<x<y. Pour t∈]0;1], 1+tty−1≤1+ttx−1.
Donc par croissance de l’intégrale, f(y)≤f(x). Ainsi f est décroissante.
Fixons a>0.
-pour t∈]0;1], x↦u(x,t) est continue sur ]0;+∞[;
-pour x∈]0;+∞[, t↦f(x,t) est CPM sur ]0;1];
-∀x∈[a;+∞[,∀t∈]0;1], ∣u(x,t)∣≤1+tta−1, avec t↦1+tta−1 intégrable sur ]0;1] (voir 1.). Conclusion.f est continue sur [a;+∞[, avec a>0 quelconque, donc sur ]0;+∞[.
Soit x>0. f(x+1)+f(x)=∫011+ttx−1+txdt=∫01tx−1dt=x1.
En 0+ : f(x+1)→f(1) et x1→+∞, donc f(x)x→0+∼x1.
En +∞ : puisque f est décroissante, on a l’encadrement x1=f(x+1)+f(x)≤2f(x)≤f(x)+f(x−1)=x−11. On en déduit que f(x)x→+∞∼2x1.
Exercice 372 ⭐️⭐️ ∫0∞te−at−e−btdt, Spé/L2
Justifier l’existence de ∫0∞te−at−e−btdt pour a,b>0.
Calculer cette intégrale en faisant varier le paramètre a.
Réflexes
Convergence d’une intégrale 👉 Étude du comportement asymptotique de la fonction aux bornes de l’intervalle.
Un paramètre dans une intégrale ça permet de faire quoi en terme de calcul ? 👉 Dériver !
Corrigé
Si a=b, c’est l’intégrale de la fonction nulle. Supposons a=b. Alors te−at−e−btx→0∼t(b−a)t=b−a, donc l’intégrale est faussement impropre en 0. Quand t→+∞, te−at=o(e−at) et te−bt=o(e−bt), donc par comparaison l’intégrale est absolument convergente au voisinage de +∞.
Fixons b>0 et posons u(a,t)=te−at−e−bt.
pour t>0, a↦u(a,t) est C1 sur ]0;+∞[ et ∂a∂u(a,t)=−e−at;
pour a>0, t↦u(a,t) et t↦∂a∂u(a,t) sont continues sur ]0;+∞[;
pour a>0, t↦u(a,t) est intégrable sur ]0;+∞[ (voir 1.);
Fixons A>0. On a : ∀a∈[A;+∞[,∀t>0,∣∣∣∣∣∂a∂u(a,t)∣∣∣∣∣≤e−At, avec t↦e−At intégrable sur ]0;+∞[.
Conclusion. La fonction F:a↦∫0∞te−at−e−btdt est C1 sur ]0;+∞[, et ∀a>0,F′(a)=∫0∞−e−atdt=−a1.
Il existe donc c∈R tel que ∀a>0,F(a)=c−ln(a).
Avec l’égalité F(b)=0, on a finalement F(a)=ln(b)−ln(a)=ln(ab).
Exercice 373 ⭐️⭐️ ∫0∞1+t2e−xtdt, Spé/L2
On pose F(x)=∫0+∞1+t2e−xtdt.
Montrer que F est définie et continue sur [0;+∞[.
Montrer que F est solution de l’équation différentielle y′′+y=x1 sur ]0;+∞[.
Déterminer la limite de F en +∞.
Réflexes
Théorème de continuité d’une intégrale à paramètre.
Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
Limite d’une expression qu’on ne sait pas calculer 👉 Majorer ∣F∣.
Corrigé
On pose f(x,t)=1+t2e−xt.
Pour t∈R+, x↦f(x,t) est continue sur R+;
pour x∈R+, t↦f(x,t) est CPM sur R+;
∀x∈R+,∀t∈R+, ∣f(x,t)∣≤1+t21, avec t↦1+t21 intégrable sur R+. Conclusion.F est définie, et continue sur R+.
Vérifions les hypothèses supplémentaires pour utiliser le théorème de dérivation deux fois d’une intégrale à paramètre. Fixons un segment [a,b]⊂]0;+∞[.
pour t∈R+, x↦f(x,t) est C2 sur ]0;+∞[, avec ∂x∂f(x,t)=1+t2−te−xt,∂x2∂2f(x,t)=1+t2t2e−xt;
pour x>0, t↦1+t2−te−xt est intégrable sur R+. En effet la fonction t↦1+t2−te−xt est continue sur [0;+∞[ et négligeable devant e−xt quand t→+∞;
pour x∈[a;b] et t∈R+, ∣∣∣∣∣1+t2t2e−xt∣∣∣∣∣≤e−at, avec t↦e−at intégrable sur R+. Conclusion.F est C2 sur [a;b], avec a,b>0 quelconques, donc sur ]0;+∞[. De plus : ∀x>0,F′′(x)=∫0+∞1+t2t2e−xtdt. Ainsi pour x>0 : F′′(x)+F(x)=∫0+∞1+t2(1+t2)e−xtdt=∫0+∞e−xtdt=x1.
La majoration ∣f(x,t)∣≤e−xt donne ∣F(x)∣≤x1, et donc x→+∞limF(x)=0.
Exercice 374 ⭐️⭐️ ∫0π/2t+xcos(t)dt, Spé/L2
Pour x>0 on définit f(x)=∫0π/2t+xcos(t)dt.
Justifier que f est de classe C1 sur ]0;+∞[, et étudier les variations de f.
Déterminer un équivalent de f en +∞, à l’aide d’un encadrement simple.
Montrer que ∀t∈[0;π/2],1−2t2≤cos(t)≤1.
En déduire que f(x)x→0+∼−ln(x).
Réflexes
Théorème de dérivation d’une intégrale à paramètre.
Encadrer la fonction dans l’intégrale quand t∈[0;π/2], d’une manière qui permette de conclure.
Comparaison d’une fonction avec la partie polynôme de son DL 👉 Taylor avec reste intégral.
Encadrer f(x).
Corrigé
Posons u(x,t) pour x>0 et t∈[0;π/2].
Pour t∈[0;π/2], x↦u(x,t) est C1 sur ]0;+∞[, et ∂x∂u(x,t)=(t+x)2−cos(t);
pour x>0, t↦u(x,t) et t↦∂x∂u(x,t) sont continues sur [0;π/2];
pour x>0, t↦u(x,t) est intégrable sur [0;π/2] (fonction continue sur un segment);
Pour a>0 fixé, on a : ∀x∈[a;+∞[,∀t∈[0;π/2],∣∣∣∣∣∂x∂u(x,t)∣∣∣∣∣≤(t+a)21, avec t↦(t+a)21 intégrable sur [0;π/2] (là aussi, fonction continue sur un segment). Conclusion.f est C1 sur ]0;+∞[, et ∀x>0,f′(x)=∫0π/2(t+x)2−cos(t)dt.
Comme la fonction dans l’intégrale est négative sur [0;π/2], on a donc f′(x)≤0 pour x∈]0;+∞[. Ainsi f est décroissante.
Pour t∈[0;π/2] et x>0 on a : x+π/2cos(t)≤t+xcos(t)≤xcos(t). En intégrant on obtient x+π/21≤f(x)≤x1. On en déduit que f(x)x→+∞∼x1.
L’inégalité de droite est bien connue. Par ailleurs, à l’ordre 2, Taylor avec reste intégral donne, pour t∈[0;π/2] : cos(t)=1−2t2+∫0t≥0 car u∈[0;π/2]n!(t−u)nsin(u)du. donc cos(t)≥1−2t2. Remarque. Cette inégalité reste en fait vraie pour t∈R. Mais ceci ne se déduit pas aussi aisément de Taylor-R.I. (on peut en revanche faire une étude de fonction…)
En intégrant cet encadrement on obtient pour x>0 : ∫0π/2t+x1−t2/2dt≤f(x)≤∫0π/2t+x1dt. Or
∫0π/2t+x1dt=ln(x+π/2)−ln(x)x→0∼−ln(x);
∫0π/2t+x1−t2/2dt=∫0π/2t+x1dt−21∫xx+π/2t(t−x)2dt =… =ln(x+π/2)−ln(x)−21[2(x+π/2)2−x2−πx+x2(ln(x+π/2)−ln(x))].
Cette expression équivaut aussi à −ln(x) en 0 (tous les autres termes ont une limite finie).
Conclusion. Par encadrement on a donc f(x)x→0∼−ln(x).
Exercice 425 ⭐️⭐️ Fonctions Beta et Gamma, MP/L3
On définit les fonctions Beta par B(x,y)=∫01tx−1(1−t)y−1dt, x,y>0, et Gamma par Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt, x>0. Montrer que B(x,y)=Γ(x+y)Γ(x)Γ(y),x,y>0.
Réflexes
On aime pas les dénominateurs donc on calcule Γ(x)Γ(y) ;
Produit de deux intégrales 👉 Fubini !
Corrigé
Soit x,y>0. On a, en appliquant Fubini de façon répétée et en utilisant les changements de variable u=tv puis t′=t(1+v) : Γ(x)Γ(y)=∫0∞tx−1e−tdt∫0∞uy−1e−udu=∫0∞tx−1e−t∫0∞(tv)y−1e−tvtdvdt=∫0∞vy−1∫0∞tx+y−1e−t(1+v)dtdv=∫0∞(1+v)x+yvy−1∫0∞tx+y−1e−tdtdv=Γ(x+y)∫0∞(1+v)x+yvy−1dv. On peut traiter la dernière intégrale grâce à une réécriture puis au changement de variable w=1+vv, i.e. v=1−ww et dv=(1−w)2dw : ∫0∞(1+v)x+yvy−1dv=∫0∞(1+vv)y−1(1+v1)x−1(1+v)2dv=∫01wy−1(1−w)x−1dw, ce qu’on voulait !
Exercice 430 ⭐️⭐️ ∫02πarctan(xtant)dt, Spé/L2
On pose, pour x∈R, F(x)=∫02πarctan(xtant)dt.
Montrer que F est définie sur R et impaire.
Montrer que F est continue sur R.
Montrer que F est de classe C1 sur R∗ et donner une expression de F′(x) sans ∫ grâce au changement de variable u=xtant .
Montrer que ∣F(x)∣≤4π2 pour tout réel x.
Montrer que F(x)→4π2 lorsque x→+∞.
Réflexes
👉 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.
Corrigé
Soit x∈R fixé. La fonction t↦arctan(xtan(t)) est continue sur ]0,π/2[. De plus, on a la majoration ∣arctan(xtan(t))∣≤2π, et la fonction constante égale à π/2 est intégrable sur ]0,π/2[. On en déduit que l’intégrale F(x)=∫0π/2arctan(xtan(t))dt existe bien. L’identité F(−x)=−F(x) découle directement de l’imparité de la fonction arctan.
On introduit la fonction ϕ:R×]0,π/2[→R définie par ϕ(x,t)=arctan(xtan(t)). On vérifie que :
Si x∈R est fixé, la fonction t↦ϕ(x,t) est continue sur ]0,π/2[,
Si t∈]0,π/2[ est fixé, la fonction x↦ϕ(x,t) est continue sur R,
La fonction g constante égale à 2π est intégrable sur ]0,π/2[ et on a ∣ϕ(x,t)∣≤g(t) quel que soit x∈R.
Le théorème de régularité des intégrales à paramètres permet alors de conclure que F est continue sur R.
On calcule : ∂x∂ϕ(x,t)=tan(t)1+x2tan2(t)1. La fonction t↦∂x∂ϕ(x,t) est bien continue sur ]0,π/2[. On va montrer que F est de classe C1 sur tout intervalle ]A,∞[, avec A>0. Pour cela, on considère la fonction h:t↦1+A2tan2(t)tan(t). Comme la fonction tan est positive sur ]0,π/2[, on a l’inégalité : ∀x>A,∀t∈]0,π/2[,∣∣∣∣∣∂x∂ϕ(x,t)∣∣∣∣∣≤h(t).
Comme la fonction h est continue et bornée sur ]0,π/2[ (elle est de limite nulle en π/2), elle est intégrable sur cet intervalle. On a donc trouvé une majoration uniforme en x∈]A,∞[ pour la dérivée partielle. On peut donc appliquer le théorème de régularité des intégrales à paramètre, qui permet de conclure que F est de classe C1 sur tout ]A,∞[, donc sur R+∗. On montre le même résultat sur R−∗ en considérant les intervalles ]−∞,−A[ pour A>0 et la même fonction h (ou bien on fait appel à un argument de parité).
Pour le calcul explicite de 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 (pour l’instant). Le changement de variables u(t)=xtan(t) est un difféormorphisme strictement croissant entre ]0,π/2[ et ]0,+∞[ et on a dtdu(t)=x(1+tan2(t))=x(1+x2u(t)2). On peut donc écrire : F′(x)=∫0∞xu1+u21x(1+x2u2)1du=∫0∞(1+u2)(x2+u2)udu. 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 x=1): (1+u2)(x2+u2)1=x2−11(1+u21−x2+u21), et on en déduit qu’une primitive de u↦(1+u2)(x2+u2)u est 2(x2−1)1ln(x2+u21+u2). Le calcul de l’intégrale est maintenant facile : F′(x)=2(x2−1)1(u→∞limln(x2+u21+u2)−ln(x21))=x2−1ln(x). Pour calculer 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′, établie en début de question. On a donc : F′(1)=x→1limF′(x)=x→1lim(x−1)(x+1)(x−1)+o(x−1)=21.
4. C’est très simple, on a ∣arctan(u)∣≤2π, et on conclut par l’inégalité triangulaire.
5. L’expression de F′ montre que F est croissante sur [1,∞[. Pour montrer que x→∞limF(x)=4π2, il suffit de montrer que n→∞limF(n)=4π2. Cela découle d’une application directe du théorème de convergence dominée : on pose fn(t)=arctan(ntan(t)), pour n≥1 et t∈]0,π/2[. La suite fn converge simplement vers la fonction f constante égale à π/2, et on a ∣fn∣≤π/2, qui est intégrable sur ]0,π/2[.
Exercice 474 ⭐️⭐️ Fonction Beta, Spé/L2
Soit 0<s<1 et k≥1 un entier. Après avoir montré que la première intégrale est bien définie, établir que : ∫0∞(1+x)kxs−1dx=∫01(1−u)s−1uk−s−1du.
Réflexes
Changement de variable !
Corrigé
En 0 le terme divergent xs−1 est intégrable car 0<s<1. En +∞, l’intégrande est intégrable car k+1−s>1.
Faisons le changement de variables u=1+x1, i.e. x=u1−1. On obtient : ∫0∞(1+x)kxs−1dx=−∫01(u1−1)s−1uk−u2du=∫01(1−u)s−1uk−s−1du.