Intégrales généralisées

Exercice 20 ⭐️⭐️ Intégrale de Dirichlet, Spé/L2

Établir la convergence de l’intégrale ∫0+∞sin⁡ttdt\displaystyle \int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t}dt en montrant que ∫0+∞sin⁡2tt2dt=∫0+∞sin⁡ttdt.\displaystyle \int_0^{+\infty}\frac{\sin^2 t}{t^2}dt=\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t}dt.

Décrantage de la puissance dans une intégrale 👉 IPP !

Calculons en intégrant par parties, avec 0<a<A\displaystyle 0<a<A,
∫aAsin⁡2tt2dt=[−sin⁡2tt]aA+∫aA2cos⁡tsin⁡ttdt.\int_a^{A}\frac{\sin^2 t}{t^2}dt=\left[-\frac{\sin^2 t}{t}\right]_a^A+\int_a^{A}\frac{2\cos t\sin t}{t}dt. On remarque que 2cos⁡tsin⁡t=sin⁡(2t)\displaystyle 2\cos t\sin t=\sin(2t), et en faisant le changement de variable u=2t\displaystyle u=2t, on obtient
∫aAsin⁡2tt2dt=sin⁡2aa−sin⁡2AA+∫2a2Asin⁡uudu.\int_a^{A}\frac{\sin^2 t}{t^2}dt=\frac{\sin^2 a}{a}-\frac{\sin^2 A}{A}+\int_{2a}^{2A}\frac{\sin u}{u}du. Comme la fonction t↦sin⁡tt\displaystyle t\mapsto \frac{\sin t}{t} est prolongeable en 0\displaystyle 0 et est de carré intégrable en +∞\displaystyle +\infty, on peut passer à la limite dans le membre de gauche quand a→0\displaystyle a\to0 et A→∞\displaystyle A\to\infty, et on en déduit que l’intégrale du membre de droite converge avec l’identité désirée.

Exercice 26 ⭐️⭐️ Somme et intégrale de même nature, Spé/L2

Soit f∈C1(R+)\displaystyle f\in C^1(\R_+) telle que ∫0∞∣f′(t)∣dt<∞\displaystyle \int_0^\infty|f'(t)|dt<\infty. Montrer que ∑f(n)\displaystyle \sum f(n) et ∫0nf(t)dt\displaystyle \int_0^nf(t)dt sont de même nature.

Indication : on admettra et utilisera le théorème de Fubini sous cette forme : ∫kk+1∫ktf′(x)dxdt=∫kk+1∫xk+1f′(x)dtdx.\int_{k}^{k+1}\int_k^t f'(x)dxdt = \int_{k}^{k+1}\int_x^{k+1} f'(x)dtdx.

Une intégrale et une somme 👉 On écrit l’intégrale comme une somme.

L’IPP ne donne pas les termes qu’on a dans les hypothèses. Donc on force l’apparition de ce qu’on veut.
On a ∫kk+1f(t)dt=∫kk+1(f(t)−f(k))dt+f(k)\displaystyle \int_{k}^{k+1}f(t)dt=\int_{k}^{k+1}(f(t)-f(k))dt+f(k). Il suffirait donc de montrer que la série de terme général ∫kk+1(f(t)−f(k))dt\displaystyle \int_{k}^{k+1}(f(t)-f(k))dt converge.
On a, en changeant l’ordre d’intégration en dt\displaystyle dt et dx\displaystyle dx avec Fubini,
∫kk+1(f(t)−f(k))dt=∫kk+1∫ktf′(x)dxdt=∫kk+1(k+1−x)f′(x)dx.\begin{aligned} \int_{k}^{k+1}(f(t)-f(k))dt & = \int_{k}^{k+1}\int_k^t f'(x)dxdt\\ & = \int_{k}^{k+1}(k+1-x)f'(x)dx. \\ \end{aligned} Donc ∣∫kk+1(f(t)−f(k))dt∣≤∫kk+1∣f′(x)∣dx,\left|\int_{k}^{k+1}(f(t)-f(k))dt\right|\le\int_{k}^{k+1}|f'(x)|dx, qui est le terme général d’une série convergente d’après l’hypothèse sur f′\displaystyle f'.

Exercice 27 ⭐️⭐️ Intégrale convergente et bornitude, Spé/L2

Soit f∈C1(R+)\displaystyle f\in C^1(\R^+) telle que ∫0∞f(t)dt\displaystyle \int_0^\infty f(t)dt converge et K2=∫0∞∣f′(t)∣2dt<∞\displaystyle K^2=\int_0^\infty|f'(t)|^2dt<\infty.
Montrer que f\displaystyle f est bornée.

Une intégrale, un carré 👉 Cauchy-Schwarz (CS) !

Si on écrit f(x)=f(0)+∫0xf′(t)dt\displaystyle f(x)=f(0)+\int_0^xf'(t)dt, CS donne ∣f(x)∣≤∣f(0)∣+Kx\displaystyle |f(x)|\le |f(0)|+K\sqrt{x}, ce qui est trop large. On peut donc s’attendre à ce que ce soit des propriétés locales de f\displaystyle f qui vont empêcher son explosion. On a aussi avec CS, ∣f(x)−f(y)∣≤K∣x−y∣\displaystyle |f(x)-f(y)|\le K\sqrt{|x-y|}, donc f\displaystyle f est uniformément continue sur R+\displaystyle \R^+, ce qui montre que f\displaystyle f tend vers 0\displaystyle 0 en l’infini car ∫0∞f(t)dt\displaystyle \int_0^\infty f(t)dt converge, (en particulier f\displaystyle f est bornée).
Montrons cette dernière propriété. Soit ε>0\displaystyle \epsilon>0. Il existe donc η>0\displaystyle \eta>0 tel que pour tout x,y\displaystyle x,y avec ∣x−y∣≤η\displaystyle |x-y|\le\eta, on a ∣f(x)−f(y)∣≤ε\displaystyle |f(x)-f(y)|\le \epsilon. En intégrant sur [x,x+η]\displaystyle [x,x+\eta], il vient ∣ηf(x)−∫xx+ηf(y)dy∣≤εη\displaystyle \left|\eta f(x)-\int_x^{x+\eta}f(y)dy\right|\le\epsilon\eta, d’où η∣f(x)∣≤∣∫xx+ηf(y)dy∣+εη\displaystyle \eta|f(x)|\le\left|\int_x^{x+\eta}f(y)dy\right|+\epsilon\eta. Comme ∫0∞f(t)dt\displaystyle \int_0^\infty f(t)dt converge, il existe A>0\displaystyle A>0 tel que pour tout x≥A\displaystyle x\ge A, ∣∫xx+ηf(y)dy∣≤εη\displaystyle \left|\int_x^{x+\eta}f(y)dy\right|\le\epsilon\eta. Ainsi pour tout x≥A\displaystyle x\ge A, ∣f(x)∣≤2ε\displaystyle |f(x)|\le 2\epsilon, ce qu’on voulait.

Exercice 221 ⭐️⭐️⭐️ Intégrales de f(x−1/x)\displaystyle f(x-1/x), Spé/L2

Soit f:R→R+\displaystyle f : \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}_+ une fonction intégrable sur R\displaystyle \mathbb{R}. Montrer que les intégrales I1=∫−∞0f(x−1x)dx , I2=∫0∞f(x−1x)dxI_1 = \int_{-\infty}^0 f\left(x-\frac{1}{x}\right) dx \ , \ I_2 = \int_{0}^\infty f\left(x-\frac{1}{x}\right) dx sont convergentes, puis que I1+I2=∫−∞∞f(x)dx.\displaystyle I_1+I_2 = \int_{- \infty}^\infty f(x) dx.

Pour x≠0\displaystyle x \neq 0, on pose ϕ(x)=x−1x\displaystyle \phi(x) = x-\frac{1}{x}. La fonction ϕ\displaystyle \phi est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur ]−∞,0[\displaystyle ]-\infty,0[, et ϕ′(x)=1+1x2>0\displaystyle \phi'(x)=1+\frac{1}{x^2} > 0, donc ϕ\displaystyle \phi est strictement croissante sur cet intervalle. De plus, on a lim⁡x→−∞ϕ(x)=−∞ , lim⁡x→0−ϕ(x)=+∞,\lim_{x \to -\infty} \phi(x) = -\infty \ , \ \lim_{x \to 0^-} \phi(x) = +\infty, donc ϕ\displaystyle \phi est une bijection strictement croissante entre ]−∞,0[\displaystyle ]-\infty,0[ et R\displaystyle \mathbb{R}.

Soient −∞<a<b<0\displaystyle -\infty < a < b < 0. Le changement de variables z=ϕ(x)\displaystyle z = \phi(x) permet d’écrire ∫abf(ϕ(x))dx=∫ϕ(a)ϕ(b)f(z)(ϕ−1)′(z)dz,\int_a^b f(\phi(x)) dx = \int_{\phi(a)}^{\phi(b)} f(z) (\phi^{-1})'(z) dz, où ϕ−1:R→]−∞,0[\displaystyle \phi^{-1} : \mathbb{R} \rightarrow ]-\infty,0[ est a bijection réciproque de ϕ\displaystyle \phi sur cet intervalle. Calculons explicitement cette bijection réciproque : on a z=ϕ(x)=x−1x\displaystyle z=\phi(x)=x-\frac{1}{x}, donc ϕ−1(z)\displaystyle \phi^{-1}(z) est racine du polynôme x2−zx−1\displaystyle x^2-zx-1. Les deux racines de ce polynôme sont 12(z−z2+4)\displaystyle \frac{1}{2}\left(z-\sqrt{z^2+4}\right) et 12(z+z2+4)\displaystyle \frac{1}{2}\left(z+\sqrt{z^2+4}\right). Comme ϕ−1\displaystyle \phi^{-1} est par définition à valeurs dans ]−∞,0[\displaystyle ]-\infty,0[, on obtient l’expression explicite ϕ−1(z)=z2−z2+42.\phi^{-1}(z) = \frac{z}{2}-\frac{\sqrt{z^2+4}}{2}.
On en déduit : ∫abϕ(x)dx=12∫ϕ(a)ϕ(b)f(z)(1−zz2+4)dz.\int_a^b \phi(x) dx = \frac{1}{2} \int_{\phi(a)}^{\phi(b)} f(z) \left(1-\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}\right) dz.
Une simple étude montre que la fonction z↦12(1−zz2+4)\displaystyle z \mapsto \frac{1}{2}\left(1-\frac{z}{\sqrt{z^2+4}} \right) est décroissante sur R\displaystyle \mathbb{R}, de limite 1\displaystyle 1 en −∞\displaystyle -\infty et 0\displaystyle 0 en +∞\displaystyle +\infty. En particulier, on a ∀z∈R , 0≤12f(z)(1−zz2+4)≤f(z),\forall z \in \mathbb{R} \ , \ 0 \le \frac{1}{2} f(z) \left(1-\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}\right) \le f(z), et comme la fonction f\displaystyle f est intégrable sur R\displaystyle \mathbb{R},on en déduit par comparaison que l’intégrale ∫0∞f(ϕ(x))dx\displaystyle \int_0^\infty f(\phi(x)) dx est bien convergente, et que l’on a I1=∫−∞0f(ϕ(x))dx=12∫Rf(z)(1−zz2+4)dz.I_1 = \int_{-\infty}^0 f(\phi(x)) dx = \frac{1}{2} \int_\mathbb{R} f(z) \left(1-\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}\right) dz.

On se doute bien que le cas de I2\displaystyle I_2 se traite de façon similaire… Il reste à bien comprendre où se situent les subtiles différences. La fonction ϕ\displaystyle \phi est maintenant définie sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[, et c’est même une bijection strictement croissante de ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[ vers R\displaystyle \mathbb{R}. La différence ici est dans la définition de la bijection réciproque ϕ−1\displaystyle \phi^{-1} : la racine du polynôme x2−zx−1\displaystyle x^2-zx-1 doit être choisie dans ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[, on a donc ici ϕ−1(z)=z2+z2+42.\phi^{-1}(z) = \frac{z}{2}+\frac{\sqrt{z^2+4}}{2}. La preuve de l’existence de I2\displaystyle I_2 se poursuit de façon similaire, et on obtient l’expression :
I2=∫0∞f(ϕ(x))dx=12∫Rf(z)(1+zz2+4)dz.I_2 = \int_{0}^\infty f(\phi(x)) dx = \frac{1}{2} \int_\mathbb{R} f(z) \left(1+\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}\right) dz.

Difficile d’aller plus loin dans les calculs de I1\displaystyle I_1 et I2\displaystyle I_2, mais en les additionnant, on trouve immédiatement le résultat voulu : I1+I2=∫Rf(z)[12−zz2+4+12+zz2+4]dz=∫Rf(z)dz.I_1+I_2 = \int_\mathbb{R} f(z) \left[\frac{1}{2}-\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}+\frac{1}{2}+\frac{z}{\sqrt{z^2+4}}\right] dz = \int_\mathbb{R} f(z) dz.

Exercice 234 ⭐️⭐️ Transformée de Laplace, Spé/L2

Soit f:R+→R\displaystyle f : \R_+ \rightarrow \R une fonction continue et s0>0\displaystyle s_0 > 0. On suppose que l’intégrale ∫0∞f(t)e−s0tdt\displaystyle \int_0^\infty f(t) e^{-s_0 t}dt est convergente.
Montrer que pour tout s>s0\displaystyle s>s_0, l’intégrale ∫0∞f(t)e−stdt\displaystyle \int_0^\infty f(t) e^{-st} dt est convergente.

On introduit la fonction F:R+→R\displaystyle F : \R_+ \rightarrow \R définie pour x≥0\displaystyle x \ge 0 par F(x)=∫0xf(t)e−s0tdt\displaystyle F(x) = \int_0^x f(t) e^{-s_0 t} dt. Comme f\displaystyle f est continue, on sait que F\displaystyle F est de classe C1\displaystyle \mathcal{C}^1 sur R+\displaystyle \R_+ et que F′(x)=f(x)e−s0x\displaystyle F'(x) = f(x) e^{-s_0 x}. D’après l’hypothèse, la limitelim⁡x→∞F(x)\displaystyle \lim_{x \to \infty} F(x) existe et est finie, en particulier la fonction F\displaystyle F (ainsi que la fonction ∣F∣\displaystyle |F|) est bornée sur R+\displaystyle \R_+ : il existe M>0\displaystyle M > 0 tel que ∣F(x)∣≤M\displaystyle |F(x)| \leq M pour tout x≥0\displaystyle x \ge 0. Soit maintenant s>s0\displaystyle s>s_0. On a f(t)e−st=F′(t)e(s0−s)t\displaystyle f(t) e^{-st} = F'(t) e^{(s_0-s)t}, il est tentant de faire une intégration par parties : ∫0xf(t)e−stdt=[F(t)e(s0−s)t]0x−1s0−s∫0xF(t)e(s0−s)tdt.\int_0^x f(t) e^{-st} dt = \left[ F(t) e^{(s_0-s)t} \right]_0^x - \frac{1}{s_0-s}\int_0^x F(t) e^{(s_0-s)t} dt. On a lim⁡x→∞F(x)e(s0−s)x=0\displaystyle \lim_{x \to \infty} F(x) e^{(s_0-s)x} = 0 et F(0)=0\displaystyle F(0) = 0, donc le crochet est de limite nulle quand x→∞\displaystyle x \to \infty. De plus, on a ∣F(t)e(s0−s)t∣≤Me(s0−s)t\displaystyle |F(t) e^{(s_0-s)t}| \le M e^{(s_0-s)t}, qui est une fonction intégrable sur R+\displaystyle \R_+, donc t↦F(t)e(s0−s)t\displaystyle t \mapsto F(t) e^{(s_0-s)t} est intégrable sur R+\displaystyle \R_+, donc la limite lim⁡x→∞∫0xF(t)e(s0−s)tdt\displaystyle \lim_{x \to \infty }\int_0^x F(t) e^{(s_0-s)t} dt existe et est finie. Au final, on a bien montré que l’intégrale impropre ∫0∞f(t)e−st\displaystyle \int_0^\infty f(t) e^{-st} est convergente.

Exercice 238 ⭐️⭐️⭐️ ∫0∞f(x)sin⁡(x)dx\displaystyle \int_0^\infty f(x)\sin(x)dx, Spé/L2

Soit f:R+→R+\displaystyle f:\R_+\to\R_+ une fonction continue, décroissante et tendant vers 0\displaystyle 0 en +∞\displaystyle +\infty. Montrer que l’intégrale ∫0∞f(x)sin⁡(x)dx\displaystyle \int_0^\infty f(x)\sin(x)dx est convergente.

Pour k≥0\displaystyle k \ge 0, étudier la suite Ik=∫kπ(k+1)πf(x)sin⁡(x)dx\displaystyle I_k=\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}f(x)\sin(x)dx.

Comme suggéré dans l’indication, on pose Ik=∫kπ(k+1)πf(x)sin⁡(x)dx\displaystyle I_k=\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}f(x)\sin(x)dx. On remarque plusieurs choses :

  • Tout d’abord, (−1)kIk≥0\displaystyle (-1)^k I_k \ge 0. En effet, sin⁡(x)\displaystyle \sin(x) est positif sur les intervalles [kπ,(k+1)π]\displaystyle [k \pi, (k+1)\pi] avec k\displaystyle k pair, et négatif sur les intervalles [kπ,(k+1)π]\displaystyle [k \pi, (k+1)\pi] avec k\displaystyle k impair, et de plus f\displaystyle f est positive. La quantité (−1)kIk\displaystyle (-1)^k I_k est donc positive, comme l’intégrale d’une fonction positive.
  • La suite ∣Ik∣\displaystyle |I_k| est décroissante. En effet, si k\displaystyle k est pair, il s’agit de montrer que Ik+Ik+1≥0\displaystyle I_k+I_{k+1} \ge 0 et on a, par le changement de variables z=x−π\displaystyle z=x-\pi : Ik+1=∫kπ(k+1)πf(z+π)sin⁡(z+π)dz=−∫kπ(k+1)πf(z+π)sin⁡(z)dzI_{k+1} = \int_{k\pi}^{(k+1)\pi} f(z+\pi) \sin(z+\pi) dz = -\int_{k \pi}^{(k+1)\pi} f(z+\pi) \sin(z) dz donc Ik+Ik+1=∫kπ(k+1)π(f(z)−f(z+π))sin⁡(z)dz≥0,I_k+I_{k+1} = \int_{k \pi}^{(k+1)\pi} \left(f(z)-f(z+\pi) \right) \sin(z) dz \ge 0, car sin⁡(z)≥0\displaystyle \sin(z) \ge 0 et f\displaystyle f est décroissante. On raisonne de la même façon si k\displaystyle k est impair.
  • La suite ∣Ik∣\displaystyle |I_k| est de limite nulle. En effet on a la majoration : ∣Ik∣≤∫kπ(k+1)πf(x)dx≤πf(kπ).|I_k| \le \int_{k\pi}^{(k+1)\pi} f(x) dx \le \pi f(k\pi). On a utilisé la décroissance de la fonction f\displaystyle f. On conclut en se rappelant que par hypothèse on a lim⁡k→∞f(kπ)=0\displaystyle \lim_{k \to \infty} f(k\pi) = 0.

Le critère des séries alternées permet alors de conclure que la série ∑k≥0Ik\displaystyle \sum_{k \ge 0} I_k est convergente, de limite notée I\displaystyle I. En d’autres termes, si on pose F(X)=∫0Xf(x)sin⁡(x)dx\displaystyle F(X) = \int_0^X f(x) \sin(x) dx, alors on a montré que lim⁡n→∞F(nπ)\displaystyle \lim_{n \to \infty} F(n\pi) existe. Il s’agit de montrer maintenant que lim⁡X→∞F(X)=I.\displaystyle \lim_{X \to \infty} F(X) = I. On écrit que ∣F(X)−I∣≤∣F(X)−F(nXπ)∣+∣F(nXπ)−I∣,|F(X)-I| \le |F(X)-F(n_X \pi)| + |F(n_X \pi)-I|, où on a posé nX=⌊X/π⌋\displaystyle n_X = \lfloor X/\pi \rfloor. On sait que lim⁡X→∞∣F(nXπ)−I∣=0\displaystyle \lim_{X \to \infty} |F(n_X \pi)-I| = 0. De plus, on a ∣F(X)−F(nXπ)∣≤∫nXπXf(x)∣sin⁡(x)∣dx≤πf(nXπ).|F(X)-F(n_X \pi)| \le \int_{n_X \pi}^X f(x) |\sin(x)| dx \le \pi f(n_X \pi). On a utilisé la décroissance et la positivité de f\displaystyle f pour obtenir cette majoration. Comme de plus f\displaystyle f est de limite nulle en +∞\displaystyle +\infty, on a lim⁡X→+∞f(nXπ)=0\displaystyle \lim_{X \to +\infty}f(n_X \pi) = 0, et on peut conclure que lim⁡X→∞F(X)=I\displaystyle \lim_{X \to \infty} F(X)=I.

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 241 ⭐️⭐️ f\displaystyle f et 1/f\displaystyle 1/f intégrables, Spé/L2

Soit I\displaystyle I un intervalle de R\displaystyle \R et f\displaystyle f une fonction continue par morceaux sur I\displaystyle I telle que f\displaystyle f et 1/f\displaystyle 1/f soient intégrables sur I\displaystyle I. Montrer que I\displaystyle I est borné.

On note ∣I∣\displaystyle |I| la longueur de I\displaystyle I, i.e. ∣I∣=b−a\displaystyle |I|=b-a si I=[a,b]\displaystyle I=[a,b] avec a<b\displaystyle a<b deux réels, et ∣I∣=∞\displaystyle |I|=\infty si I\displaystyle I n’est pas borné. On a
∣I∣=∫Idx=∫I∣f(x)∣∣f(x)∣dx≤∫I∣f(x)∣dx∫Idx∣f(x)∣<+∞,|I|=\int_I dx=\int_I \frac{\sqrt{|f(x)|}}{\sqrt{|f(x)|}}dx\le\sqrt{\int_I|f(x)|dx}\sqrt{\int_I\frac{dx}{|f(x)|}}<+\infty, où on a utilisé l’inégalité de Cauchy-Schwarz sur I\displaystyle I, et l’hypothèse.

Exercice 245 ⭐️⭐️ Equivalent de ∫0∞e−ntf(t)tdt\displaystyle \int_0^{\infty}e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}dt, Mines 2018

Soit f:R+→R\displaystyle f:\R_+\to\R une fonction continue bornée telle que f(0)≠0\displaystyle f(0)\neq 0. Donner un équivalent de un=∫0+∞e−ntf(t)tdt\displaystyle u_n=\int_0^{+\infty}e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}dt.

Équivalent d’une suite d’intégrale 👉 Changement de variable pour "sortir le n\displaystyle n".

Soit M>0\displaystyle M>0 tel que pour tout t≥0\displaystyle t\ge0, ∣f(t)∣≤M\displaystyle |f(t)|\le M. L’intégrande est bien intégrable en 0\displaystyle 0 car ∣e−ntf(t)t∣≤Mt\displaystyle \left|e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}\right|\le \frac{M}{\sqrt{t}}, t>0\displaystyle t>0, et aussi en +∞\displaystyle +\infty car ∣e−ntf(t)t∣≤Me−nt\displaystyle \left|e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}\right|\le M e^{-nt} pour tout t≥1\displaystyle t\ge 1. En faisant le changement de variable u=nt\displaystyle u=nt, on obtient un=∫0+∞e−uf(u/n)u/ndun=1n∫0+∞e−uf(u/n)udu\displaystyle u_n=\int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u/n}}\frac{du}{n}=\frac{1}{\sqrt{n}}\int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}du. On sait que

  • f(u/n)→n→∞f(0)\displaystyle f(u/n)\xrightarrow[n\to\infty]{}f(0) pour tout u≥0\displaystyle u\ge0 car f\displaystyle f est continue en 0\displaystyle 0 ;
  • ∣e−uf(u/n)u∣≤Me−uu\displaystyle \left|e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}\right|\le \frac{Me^{-u}}{\sqrt{u}}, pour tout n∈N\displaystyle n\in\N et tout u>0\displaystyle u>0, et que u↦Me−uu\displaystyle u\mapsto \frac{Me^{-u}}{\sqrt{u}} est intégrable sur R+\displaystyle \R_+.

On en déduit alors grâce au théorème de convergence dominée que ∫0+∞e−uf(u/n)udu→n→∞f(0)∫0∞e−uudu\displaystyle \int_0^{+\infty}e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}du\xrightarrow[n\to\infty]{}f(0)\int_0^\infty\frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du.
Comme f(0)≠0\displaystyle f(0)\neq0 et ∫0∞e−uudu=2∫0∞e−t2dt=π\displaystyle \int_0^\infty\frac{e^{-u}}{\sqrt{u}}du=2\int_0^\infty e^{-t^2}dt=\sqrt{\pi}, on conclut finalement que un∼f(0)πn.u_n\sim f(0)\sqrt{\frac{\pi}{n}}.

Exercice 321 ⭐️ Intégrale télescopique arctan⁡(x+1)−arctan⁡(x)\displaystyle \arctan(x+1)-\arctan(x), Spé/L2

On souhaite calculer I=∫0+∞(arctan⁡(x+1)−arctan⁡(x))dx\displaystyle I=\int_0^{+\infty}\left(\arctan(x+1)-\arctan(x)\right)\mathrm{d}x.

  1. Démontrer que I\displaystyle I est bien définie.
  2. Démontrer que lim⁡X→+∞∫XX+1arctan⁡(x)dx=π2\displaystyle \lim_{X\to +\infty}\int_X^{X+1}\arctan(x)\mathrm{d} x=\frac{\pi}{2}.
  3. Calculer ∫01arctan⁡(x)dx\displaystyle \int_0^1\arctan(x)\mathrm{d} x, à l’aide d’une intégration par parties.
  4. En déduire la valeur de I\displaystyle I.
  1. Nature d’une intégrale généralisée 👉 Je compare à une fonction de référence ;
  2. Encadrement ;
  3. Rien à signaler ;
  4. Un changement de variable permet de changer un (x+1)\displaystyle (x+1) en x\displaystyle x.
  1. f:x↦arctan⁡(x+1)−arctan⁡(x)\displaystyle f:x\mapsto \arctan(x+1)-\arctan(x) est continue sur R+\displaystyle \R_+.
    De plus d’après l’inégalité des accroissements finis, pour x≥0\displaystyle x\geq 0 : 0≤arctan⁡(x+1)−arctan⁡(x)≤sup⁡t∈[x;x+1]arctan⁡′(t)=11+x2.0\leq \arctan(x+1)-\arctan(x)\leq \sup_{t\in[x;x+1]}\arctan'(t)= \frac{1}{1+x^2}. Comme 11+x2∼1x2\displaystyle \frac{1}{1+x^2}\sim\frac{1}{x^2}, on conclut par comparaison avec une intégrale de Riemann convergente.
    Remarque — On pouvait aussi utiliser la relation arctan⁡(x)=π2−arctan⁡(1/x)\displaystyle \arctan(x)=\frac\pi 2-\arctan(1/x) pour utiliser le DL en 0\displaystyle 0 de arctan⁡\displaystyle \arctan, et obtenir un équivalent de f(x)\displaystyle f(x) en +∞\displaystyle +\infty. On trouverait ainsi f(x)∼1x2\displaystyle f(x)\sim \frac{1}{x^2}.
  2. Soit X≥0\displaystyle X\geq 0. Pour x∈[X;X+1]\displaystyle x\in[X;X+1], arctan⁡\displaystyle \arctan étant croissante, on a arctan⁡(X)≤arctan⁡(x)≤arctan⁡(X+1)\displaystyle \arctan(X)\leq \arctan(x)\leq \arctan(X+1).
    En intégrant, on obtient : arctan⁡(X)≤∫XX+1arctan⁡(x)dx≤arctan⁡(X+1)\displaystyle \arctan(X)\leq \int_X^{X+1}\arctan(x)\mathrm{d}x\leq \arctan(X+1).
    Ainsi par encadrement, lim⁡X→+∞∫XX+1arctan⁡(x)dx=π2\displaystyle \lim_{X\to +\infty} \int_X^{X+1}\arctan(x)\mathrm{d} x=\frac{\pi}{2}.
  3. ∫01arctan⁡(x)dx=[x arctan⁡(x)]01−∫01x1+x2 dx=π4−ln⁡(2)2\displaystyle \int_0^1\arctan(x)\mathrm{d} x =\left[x~\arctan(x)\right]_0^1 - \int_0^1 \frac{x}{1+x^2}~\mathrm{d} x = \frac{\pi}{4}-\frac{\ln(2)}{2}.
  4. On a, à l’aide du changement de variable x′=x+1\displaystyle x'=x+1 :
    I=lim⁡X→∞(∫1X+1arctan⁡(x)dx−∫0Xarctan⁡(x)dx). I = \lim_{X\to\infty}\left(\int_1^{X+1}\arctan(x)\mathrm{d} x - \int_0^{X}\arctan(x)\mathrm{d} x\right) . Ainsi par relation de Chasles :I=lim⁡X→∞(∫XX+1arctan⁡(x)dx−∫01arctan⁡(x)dx)=π4+ln⁡(2)2I= \lim_{X\to\infty}\left(\int_X^{X+1}\arctan(x)\mathrm{d} x - \int_0^{1}\arctan(x)\mathrm{d} x\right) = \frac{\pi}{4}+\frac{\ln(2)}{2}

Exercice 604 ⭐️⭐️⭐️ Nature d’une intégrale, Mines PC 2019, Spé

Déterrminer la nature de l’intégrale ∫0+∞sin⁡(x)x+sin⁡(x)dx.\int_0^{+\infty}\frac{\sin(x)}{\sqrt{x}+\sin(x)}\mathrm{d}x.

Étude au voisinage de 0\displaystyle 0 et de +∞\displaystyle +\infty.
Si un équivalent ne suffit pas en +∞\displaystyle +\infty, une description asymptotique plus fine est nécéssaire.

Remarque préalable. Un grand classique est l’étude de la nature de ∫1+∞sin⁡(x)xαdx\displaystyle \int_1^{+\infty}\frac{\sin(x)}{x^\alpha}\mathrm{d}x, avec α>0\displaystyle \alpha>0. Une intégration par parties donne
∫1Xsin⁡(x)xαdx=[−cos⁡(x)xα]1X−α∫1Xsin⁡(x)xα+1dx.\int_1^{X}\frac{\sin(x)}{x^\alpha}\mathrm{d}x = \left[-\frac{\cos(x)}{x^\alpha}\right]_1^X-\alpha\int_1^{X}\frac{\sin(x)}{x^{\alpha+1}}\mathrm{d}x.
Or en +∞\displaystyle +\infty, cos⁡(X)Xα→0\displaystyle \frac{\cos(X)}{X^\alpha}\to 0, et x↦sin⁡(x)xα+1\displaystyle x\mapsto \frac{\sin(x)}{x^{\alpha+1}} est intégrable grâce à la majoration ∣sin⁡(x)xα+1∣≤1xα+1\displaystyle \left|\frac{\sin(x)}{x^{\alpha+1}}\right|\le\frac{1}{x^{\alpha+1}}. On en conclut que ∫1+∞sin⁡(x)xαdx\displaystyle \int_1^{+\infty}\frac{\sin(x)}{x^\alpha}\mathrm{d}x est convergente.

Revenons à notre problème. La fonction u:x↦sin⁡(x)x+sin⁡(x)\displaystyle u:x\mapsto \frac{\sin(x)}{\sqrt{x}+\sin(x)} est continue sur ]0,+∞[\displaystyle ]0,+\infty[.
Étude en 0\displaystyle 0. On a u(x)∼x→0sin⁡(x)x∼x→0x\displaystyle u(x)\underset{x\to 0}\sim \frac{\sin(x)}{\sqrt{x}}\underset{x\to 0}\sim\sqrt x, donc u\displaystyle u est intégrable en 0\displaystyle 0 (car elle est prolongeable par continuité).
Étude en +∞\displaystyle +\infty. La fonction h:x↦sin⁡(x)x\displaystyle h:x\mapsto \frac{\sin(x)}{\sqrt x} tend vers 0\displaystyle 0 en +∞\displaystyle +\infty, donc
u(x)=h(x)1+h(x)=x→+∞h(x)−h(x)2+ε(x),u(x)=\frac{h(x)}{1+h(x)}\underset{x\to+\infty}=h(x)-h(x)^2+\varepsilon(x),
avec ε(x)=O(h(x)3)=O(1x3/2)\displaystyle \varepsilon(x)=\mathcal O(h(x)^3)=\mathcal O(\frac{1}{x^{3/2}}). Or :

  • l’intégrale de h\displaystyle h est convergente en +∞\displaystyle +\infty, voir remarque préalable;
  • l’intégrale de h2\displaystyle h^2 est divergente, voir justifications ci-dessous (*);
  • l’intégrale de ε\displaystyle \varepsilon est convergente, par comparaison avec une intégrale de Riemann.

On en conclut que l’intégrale de u\displaystyle u est divergente en +∞\displaystyle +\infty (ce qui fait que l’étude en 0\displaystyle 0 était finalement inutile 😉)

(*) On peut linéariser : h(x)2=12x−cos⁡(2x)2x\displaystyle h(x)^2= \frac{1}{2x}-\frac{\cos(2x)}{2x}, or l’intégrale de 12x\displaystyle \frac{1}{2x} diverge en +∞\displaystyle +\infty, et l’intégrale de cos⁡(2x)2x\displaystyle \frac{\cos(2x)}{2x} converge en +∞\displaystyle +\infty (de la même manière que celle de sin⁡(x)x\displaystyle \frac{\sin(x)}{x}, voir remarque préalable). Par somme, l’intégrale de h(x)2\displaystyle h(x)^2 diverge en +∞\displaystyle +\infty.