Suites d'intégrales

Exercice 17 ⭐️⭐️ Intégrale de Wallis, Sup/L1/Classique

Soit In=0π2cosn(t)dt\displaystyle I_n=\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n(t)dt. Montrer que la suite (nIn1In)\displaystyle (nI_{n-1}I_n) est constante.
En déduire un encadrement de In2\displaystyle I_n^2 et que Inπ2n,4n(2nn)1πn.I_n\sim \sqrt{\frac{\pi}{2n}}, \quad 4^{-n}{2n\choose n}\sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}}.

Puissance dans une intégrale 👉 IPP !

On intègre par parties avec u=cosn1\displaystyle u=\cos^{n-1} et v=sin\displaystyle v=\sin. Alors, pour n>1\displaystyle n>1,
0π2cosn(t)dt=[sin(t)cosn1(t)]0π/20π2(n1)sin(t)cosn2(t)sin(t)dt.\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^n(t)dt=[\sin(t)\cos^{n-1}(t)]_0^{\pi/2}-\int_0^{\frac{\pi}{2}}-(n-1)\sin(t)\cos^{n-2}(t)\sin(t)dt. Donc, avec sin2=1cos2\displaystyle \sin^2=1-\cos^2, on obtient : In=(n1)(In2In),I_n=(n-1)(I_{n-2}-I_n), d’où nIn=(n1)In2\displaystyle nI_n=(n-1)I_{n-2} et nInIn1=(n1)In1In2\displaystyle nI_nI_{n-1}=(n-1)I_{n-1}I_{n-2}, ce qu’on voulait.
On a I0=π/2\displaystyle I_0=\pi/2 et I1=1\displaystyle I_1=1, donc pour tout n1\displaystyle n\ge1, nInIn1=π/2\displaystyle nI_nI_{n-1}=\pi/2.
Comme sur [0,π/2]\displaystyle [0,\pi/2], 0cos(t)1\displaystyle 0\le\cos(t)\le 1, on en déduit que In\displaystyle I_n est décroissante. Donc nIn2nInIn1=π2=(n+1)In+1In(1+1/n)nIn2.nI_n^2\le nI_nI_{n-1}=\frac{\pi}{2}=(n+1)I_{n+1}I_n\le (1+1/n)nI_n^2. Ainsi nIn2\displaystyle nI_n^2 converge vers π/2\displaystyle \pi/2 et Inπ2n\displaystyle I_n\sim\sqrt{\frac{\pi}{2n}}. Enfin, In=n1nIn2=n1nn3n2In4.I_n=\frac{n-1}{n}I_{n-2}=\frac{n-1}{n}\frac{n-3}{n-2}I_{n-4}. Donc, en prenant 2n\displaystyle 2n au lieu de n\displaystyle n, on a I2n=(2n1)312n21I0=(2n)!2nn!2nn!π2.I_{2n}=\frac{(2n-1)\cdots 3\cdot 1}{2n\cdots 2\cdot 1}I_0=\frac{(2n)!}{2^n n! 2^n n!}\frac{\pi}{2}. Par conséquent 4n(2nn)2ππ4n=1πn,4^{-n}{2n\choose n}\sim \frac{2}{\pi}\sqrt{\frac{\pi}{4n}}=\frac{1}{\sqrt{\pi n}}, qui est la fréquence de l’équirépartition : n\displaystyle n piles et n\displaystyle n faces parmi 2n\displaystyle 2n lancés de pièce.

🎁 Pour en savoir plus sur les coefficients binomiaux centraux, on pourra consulter
cet article du blog Math-OS

Exercice 18 ⭐️⭐️ Lemme de Riemann-Lebesgue, Spé/L2/Classique

Soit f\displaystyle f une fonction C0\displaystyle \mathcal C^0 sur [a,b]\displaystyle [a,b]. Montrer que abf(x)einxdx\displaystyle \int_a^bf(x)e^{inx}dx tend vers 0\displaystyle 0 quand n\displaystyle n\to \infty.

L’idée est de prouver le lemme pour des fonctions C1\displaystyle C^1 pour pouvoir faire une intégration par partie. Et on utilise un résultat de densité pour étendre à des fonctions seulement continues. Tu peux consulter la page wikipedia pour la preuve et de plus amples informations.

Exercice 19 ⭐️⭐️ Equivalent de 01xn1+xdx\displaystyle \int_0^1 \frac{x^n}{\sqrt{1+x}}dx, Spé/L2

Soit un=01xn1+xdx\displaystyle u_n=\int_0^1 \frac{x^n}{\sqrt{1+x}}dx.

  1. Montrer que la suite (un)\displaystyle (u_n) a une limite que l’on déterminera.
  2. Donner un équivalent de un\displaystyle u_n quand n\displaystyle n\to \infty.
  • Limite d’une suite 👉 monotone bornée ?
  • Equivalent d’une suite d’intégrales 👉 Changement de variable pour sortir le n\displaystyle n, ici u=xn\displaystyle u=x^n ?
  1. On a 0un+1un\displaystyle 0\le u_{n+1}\le u_n car pour tout x[0,1]\displaystyle x\in[0,1], xn+1xn\displaystyle x^{n+1}\le x^n. Donc (un)\displaystyle (u_n) a une limite positive. De plus un01xndx=1n+10\displaystyle |u_n|\le \int_0^1 x^ndx=\frac{1}{n+1}\to 0.
  2. Faisons le changement de variable x=u1/n\displaystyle x=u^{1/n}, d’où dx=1nu1/n1\displaystyle dx=\frac{1}{n}u^{1/n-1}. Ainsi un=1n01u1/n1+u1/ndu\displaystyle u_n=\frac1n \int_0^1 \frac{u^{1/n}}{\sqrt{1+u^{1/n}}}du. La quantité sous l’intégrale est bornée par 1\displaystyle 1 pour tout u\displaystyle u et n\displaystyle n, et converge pour tout u\displaystyle u vers 1/2\displaystyle 1/\sqrt{2} quand n\displaystyle n\to\infty, donc on peut appliquer le théorème de convergence dominée : l’intégrale tend vers 1/2\displaystyle 1/\sqrt{2}. Ainsi un1n2\displaystyle u_n\sim \frac{1}{n\sqrt{2}}.

Exercice 25 ⭐️ 01fn(t)dt\displaystyle \int_0^1 f^n(t)dt, Sup/Spé/L2

Soit f\displaystyle f une fonction continue positive sur [0,1]\displaystyle [0,1]. On pose pour tout entier n\displaystyle n, In=01fn(t)dt\displaystyle I_n=\int_0^1 f^n(t)dt.
Montrer que pour tout n2\displaystyle n\ge2, In12InIn2\displaystyle I_{n-1}^2\le I_nI_{n-2}.

Un carré, une intégrale 👉 Cauchy-Schwarz (CS) !

On regarde si CS marche, il faut interpréter les In\displaystyle I_n et In2\displaystyle I_{n-2} comme des intégrales de carré. Comme f0\displaystyle f\ge0, on peut écrire fn=g2\displaystyle f^n=g^2 et fn2=h2\displaystyle f^{n-2}=h^2, avec g,h0\displaystyle g,h\ge0. D’où gh=fnfn2=f2n2=fn1\displaystyle gh=\sqrt{f^{n}}\sqrt{f^{n-2}}=\sqrt{f^{2n-2}}=f^{n-1}, et c’est bon ! On fait alors CS avec g\displaystyle g et h\displaystyle h et on obtient In12=(01gh)201g201h2=InIn2\displaystyle I_{n-1}^2=\left(\int_0^1gh\right)^2\le \int_0^1g^2\int_0^1h^2=I_nI_{n-2}.

Exercice 245 ⭐️⭐️ Equivalent de 0entf(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+entf(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 t0\displaystyle t\ge0, f(t)M\displaystyle |f(t)|\le M. L’intégrande est bien intégrable en 0\displaystyle 0 car entf(t)tMt\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 entf(t)tMent\displaystyle \left|e^{-nt}\frac{f(t)}{\sqrt{t}}\right|\le M e^{-nt} pour tout t1\displaystyle t\ge 1. En faisant le changement de variable u=nt\displaystyle u=nt, on obtient un=0+euf(u/n)u/ndun=1n0+euf(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)nf(0)\displaystyle f(u/n)\xrightarrow[n\to\infty]{}f(0) pour tout u0\displaystyle u\ge0 car f\displaystyle f est continue en 0\displaystyle 0 ;
  • euf(u/n)uMeuu\displaystyle \left|e^{-u}\frac{f(u/n)}{\sqrt{u}}\right|\le \frac{Me^{-u}}{\sqrt{u}}, pour tout nN\displaystyle n\in\N et tout u>0\displaystyle u>0, et que uMeuu\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+euf(u/n)udunf(0)0euudu\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 0euudu=20et2dt=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 unf(0)πn.u_n\sim f(0)\sqrt{\frac{\pi}{n}}.

Exercice 496 ⭐️⭐️⭐️ Généralisation Riemann-Lebesgue, Spé/L3

Soit f:RR\displaystyle f: \mathbb{R}\to \mathbb{R} et g:RR\displaystyle g: \mathbb{R}\to \mathbb{R} une fonction 1\displaystyle 1-périodique. On veut montrer la limite suivante pour différentes classes de fonctions : limn+01f(t)g(nt)dt=(01f(t)dt)(01g(t)dt).\lim_{n\to +\infty} \int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt=\left(\int_{0}^{1}f(t)dt\right)\left( \int_{0}^{1}g(t)dt\right).

  1. Supposer que f\displaystyle f et g\displaystyle g sont continues ;
  2. On suppose ici que g\displaystyle g est intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1] et f\displaystyle f une fonction en escalier. Montrer d’abord que pour c>0\displaystyle c>0, limn+1n0ncg(x)dx=c01g(x)dx.\lim_{n\to +\infty} \frac1n\int_{0}^{ nc}g(x)dx=c\int_{0}^{1}g(x)dx.

Pour les L3, on peut aussi montrer que la limite a lieu pour fLp([0,1],dx)\displaystyle f\in L_p([0,1],dx) et gLq([0,1],dx)\displaystyle g\in L_q([0,1],dx) avec 1p+1q=1\displaystyle \frac1p+\frac1q=1,  1p\displaystyle \ 1\le p\le \infty.

  • Si on voit pas comment partir 👉 Tester avec des fonctions simples : identité, fonction indicatrice, etc ;
  • Paramètre n\displaystyle n dans une intégrale 👉 Sortir le n\displaystyle n de l’intégrale par changement de variable (pour obtenir limite, équivalent, etc) ;
  • Limite suite d’intégrales 👉 Convergence uniforme, dominée, ITT ;
  • Une Intégrale 👉 Somme, découpage, IPP, changement de variable.
  1. On a avec le changement de variable x=nt\displaystyle x=nt, 01f(t)g(nt)dt=1n0nf(x/n)g(x)dx.\int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt=\frac1n\int_{0}^{n} f(x/n)g(x)dx. Il est naturel de casser 0n\displaystyle \int_{0}^{n} en morceaux kk+1\displaystyle \int_{k}^{k+1} que l’on calcule avec le changement de variable x=u+k\displaystyle x=u+k : kk+1f(x/n)g(x)dx=01f(u+kn)g(u+k)du=01f(u+kn)g(u)du,\begin{aligned} \int_{k}^{k+1} f(x/n)g(x)dx & = \int_{0}^{1} f\left(\frac{u+k}{n}\right)g(u+k)du\\ & = \int_{0}^{1} f\left(\frac{u+k}{n}\right)g(u)du,\\ \end{aligned} car g\displaystyle g est 1\displaystyle 1-périodique. Ainsi 01f(t)g(nt)dt=011nk=0n1f(u+kn)g(u)du.()\int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt=\int_{0}^{1} \frac1n \sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{u+k}{n}\right)g(u)du. \quad (\star) Fixons u[0,1]\displaystyle u\in[0,1]. La somme dans l’intégrale est une somme de Riemann avec subdivision xk=k/n\displaystyle x_k=k/n, 0kn1\displaystyle 0\le k\le n-1, et point ck=u+kn[xk,xk+1]\displaystyle c_k=\frac{u+k}{n}\in[x_k,x_{k+1}]. Comme f\displaystyle f est continue, on sait que, en posant In(u)=1nk=0n1f(u+kn)\displaystyle I_n(u)=\frac1n \sum_{k=0}^{n-1}f\left(\frac{u+k}{n}\right) : limn+In(u)=01f(x)dx.\lim_{n\to +\infty} I_n(u)=\int_{0}^{1}f(x)dx. Il ne reste plus qu’à passer cette limite sous le signe intégrale dans ()\displaystyle (\star), et là c’est téléphoné : Convergence Dominée ! On a déjà la limite simple de uIn(u)\displaystyle u\mapsto I_n(u), et pour la domination : In(u)1nk=0n1supx[xk,xk+1]f(x)1nk=0n1supx[0,1]f(x)=supx[0,1]f(x),\begin{aligned} |I_n(u)| & \le \frac1n \sum_{k=0}^{n-1} \sup_{x\in[x_k,x_{k+1}]}|f(x)|\\ & \le \frac1n \sum_{k=0}^{n-1} \sup_{x\in[0,1]}|f(x)|=\sup_{x\in[0,1]}|f(x)| ,\\ \end{aligned} la dernière constante étant intégrable sur [0,1]\displaystyle [0,1]. On peut donc appliquer le théorème de convergence dominée pour obtenir : limn+01f(t)g(nt)dt=01limn+In(u) g(u)du=01(01f(x)dx)g(t)dt=(01f(t)dt)(01g(t)dt).\begin{aligned} \lim_{n\to +\infty} \int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt & = \int_0^1\lim_{n\to+\infty}I_n(u) \ g(u)du \\ & = \int_{0}^{1}\left(\int_{0}^{1}f(x)dx\right)g(t)dt \\ & = \left(\int_{0}^{1}f(t)dt\right)\left(\int_{0}^{1}g(t)dt\right). \end{aligned}
  2. Soit [y]\displaystyle [y] la partie entière d’un réel y\displaystyle y. On a 1n0ncg(x)dx=1n0[nc]g(x)dx+1n[nc]ncg(x)dx.\frac1n\int_{0}^{ nc}g(x)dx = \frac1n\int_{0}^{[nc]}g(x)dx+\frac1n\int_{[nc]}^{ nc}g(x)dx. Or, comme g\displaystyle g est 1\displaystyle 1-périodique, on a par changement de variable x=[nc]x\displaystyle x=[nc]x' : 1n0[nc]g(x)dx=[nc]n01g(x)dx.\frac1n\int_{0}^{[nc]}g(x)dx=\frac{[nc]}{n}\int_{0}^{1}g(x)dx. De plus 1n[nc]ncg(x)dx1n01g(x)dx.\left|\frac1n\int_{[nc]}^{ nc}g(x)dx\right|\le\frac1n\int_0^1|g(x)|dx. Comme 1/n0\displaystyle 1/n\to0 et [nc]nc\displaystyle \frac{[nc]}{n}\to c (car nc=[nc]+cn\displaystyle nc=[nc]+c_n avec cn[0,1[\displaystyle c_n\in[0,1[), on en déduit la limite préliminaire. Posons f(x)=1[0,c](x)\displaystyle f(x)={\bf 1}_{[0,c]}(x) la fonction indicatrice de [0,c]\displaystyle [0,c] avec 0c<1\displaystyle 0\le c< 1. Alors
    01f(t)g(nt)dt=0cg(nt)dt=1n0ncg(x)dx.\begin{aligned} \int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt& = \int_{0}^{c} g(nt)dt\\ & = \frac1n\int_{0}^{ nc}g(x)dx. \\ \end{aligned} On a donc bien limn+01f(t)g(nt)dt=c01g(u)du=(01f(t)dt)(01g(t)dt).\begin{aligned} \lim_{n\to +\infty} \int_{0}^{1} f(t)g(nt)dt & = c\int_0^1g(u)du \\ & = \left(\int_{0}^{1}f(t)dt\right)\left(\int_{0}^{1}g(t)dt\right). \end{aligned} Les quantités sont linéaires en f\displaystyle f. Donc on en déduit aussi l’égalité pour des fonctions f(x)=1[a,b](x)=1[0,b](x)1[0,a](x)\displaystyle f(x)={\bf 1}_{[a,b]}(x)={\bf 1}_{[0,b]}(x)-{\bf 1}_{[0,a]}(x) avec 0a<b<1\displaystyle 0\le a<b<1, et donc également pour les fonctions en escaliers sur [0,1]\displaystyle [0,1].