Exercice 17 ⭐️⭐️ Intégrale de Wallis, Sup/L1/Classique
Soit In=∫02πcosn(t)dt. Montrer que la suite (nIn−1In) est constante.
En déduire un encadrement de In2 et que In∼2nπ,4−n(n2n)∼πn1.
Réflexes
Puissance dans une intégrale 👉 IPP !
Corrigé
On intègre par parties avec u=cosn−1 et v=sin. Alors, pour n>1, ∫02πcosn(t)dt=[sin(t)cosn−1(t)]0π/2−∫02π−(n−1)sin(t)cosn−2(t)sin(t)dt. Donc, avec sin2=1−cos2, on obtient : In=(n−1)(In−2−In), d’où nIn=(n−1)In−2 et nInIn−1=(n−1)In−1In−2, ce qu’on voulait.
On a I0=π/2 et I1=1, donc pour tout n≥1, nInIn−1=π/2.
Comme sur [0,π/2], 0≤cos(t)≤1, on en déduit que In est décroissante. Donc nIn2≤nInIn−1=2π=(n+1)In+1In≤(1+1/n)nIn2. Ainsi nIn2 converge vers π/2 et In∼2nπ. Enfin, In=nn−1In−2=nn−1n−2n−3In−4. Donc, en prenant 2n au lieu de n, on a I2n=2n⋯2⋅1(2n−1)⋯3⋅1I0=2nn!2nn!(2n)!2π. Par conséquent 4−n(n2n)∼π24nπ=πn1, qui est la fréquence de l’équirépartition : n piles et n faces parmi 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 une fonction C0 sur [a,b]. Montrer que ∫abf(x)einxdx tend vers 0 quand n→∞.
Corrigé
L’idée est de prouver le lemme pour des fonctions C1 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 ∫011+xxndx, Spé/L2
Soit un=∫011+xxndx.
Montrer que la suite (un) a une limite que l’on déterminera.
Donner un équivalent de un quand n→∞.
Réflexes
Limite d’une suite 👉 monotone bornée ?
Equivalent d’une suite d’intégrales 👉 Changement de variable pour sortir le n, ici u=xn ?
Corrigé
On a 0≤un+1≤un car pour tout x∈[0,1], xn+1≤xn. Donc (un) a une limite positive. De plus ∣un∣≤∫01xndx=n+11→0.
Faisons le changement de variable x=u1/n, d’où dx=n1u1/n−1. Ainsi un=n1∫011+u1/nu1/ndu. La quantité sous l’intégrale est bornée par 1 pour tout u et n, et converge pour tout u vers 1/2 quand n→∞, donc on peut appliquer le théorème de convergence dominée : l’intégrale tend vers 1/2. Ainsi un∼n21.
Exercice 25 ⭐️ ∫01fn(t)dt, Sup/Spé/L2
Soit f une fonction continue positive sur [0,1]. On pose pour tout entier n, In=∫01fn(t)dt.
Montrer que pour tout n≥2, In−12≤InIn−2.
Réflexes
Un carré, une intégrale 👉 Cauchy-Schwarz (CS) !
Corrigé
On regarde si CS marche, il faut interpréter les In et In−2 comme des intégrales de carré. Comme f≥0, on peut écrire fn=g2 et fn−2=h2, avec g,h≥0. D’où gh=fnfn−2=f2n−2=fn−1, et c’est bon ! On fait alors CS avec g et h et on obtient In−12=(∫01gh)2≤∫01g2∫01h2=InIn−2.
Exercice 245 ⭐️⭐️ Equivalent de ∫0∞e−nttf(t)dt, Mines 2018
Soit f:R+→R une fonction continue bornée telle que f(0)=0. Donner un équivalent de un=∫0+∞e−nttf(t)dt.
Réflexes
Équivalent d’une suite d’intégrale 👉 Changement de variable pour "sortir le n".
Corrigé
Soit M>0 tel que pour tout t≥0, ∣f(t)∣≤M. L’intégrande est bien intégrable en 0 car ∣∣∣∣∣e−nttf(t)∣∣∣∣∣≤tM, t>0, et aussi en +∞ car ∣∣∣∣∣e−nttf(t)∣∣∣∣∣≤Me−nt pour tout t≥1. En faisant le changement de variable u=nt, on obtient un=∫0+∞e−uu/nf(u/n)ndu=n1∫0+∞e−uuf(u/n)du. On sait que
f(u/n)n→∞f(0) pour tout u≥0 car f est continue en 0 ;
∣∣∣∣∣e−uuf(u/n)∣∣∣∣∣≤uMe−u, pour tout n∈N et tout u>0, et que u↦uMe−u est intégrable sur R+.
On en déduit alors grâce au théorème de convergence dominée que ∫0+∞e−uuf(u/n)dun→∞f(0)∫0∞ue−udu.
Comme f(0)=0 et ∫0∞ue−udu=2∫0∞e−t2dt=π, on conclut finalement que un∼f(0)nπ.
Soit f:R→R et g:R→R une fonction 1-périodique. On veut montrer la limite suivante pour différentes classes de fonctions : n→+∞lim∫01f(t)g(nt)dt=(∫01f(t)dt)(∫01g(t)dt).
Supposer que f et g sont continues ;
On suppose ici que g est intégrable sur [0,1] et f une fonction en escalier. Montrer d’abord que pour c>0, n→+∞limn1∫0ncg(x)dx=c∫01g(x)dx.
Pour les L3, on peut aussi montrer que la limite a lieu pour f∈Lp([0,1],dx) et g∈Lq([0,1],dx) avec p1+q1=1, 1≤p≤∞.
Réflexes
Si on voit pas comment partir 👉 Tester avec des fonctions simples : identité, fonction indicatrice, etc ;
Paramètre n dans une intégrale 👉 Sortir le 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.
Corrigé
On a avec le changement de variable x=nt, ∫01f(t)g(nt)dt=n1∫0nf(x/n)g(x)dx. Il est naturel de casser ∫0n en morceaux ∫kk+1 que l’on calcule avec le changement de variable x=u+k : ∫kk+1f(x/n)g(x)dx=∫01f(nu+k)g(u+k)du=∫01f(nu+k)g(u)du, car g est 1-périodique. Ainsi ∫01f(t)g(nt)dt=∫01n1k=0∑n−1f(nu+k)g(u)du.(⋆) Fixons u∈[0,1]. La somme dans l’intégrale est une somme de Riemann avec subdivision xk=k/n, 0≤k≤n−1, et point ck=nu+k∈[xk,xk+1]. Comme f est continue, on sait que, en posant In(u)=n1k=0∑n−1f(nu+k) : n→+∞limIn(u)=∫01f(x)dx. Il ne reste plus qu’à passer cette limite sous le signe intégrale dans (⋆), et là c’est téléphoné : Convergence Dominée ! On a déjà la limite simple de u↦In(u), et pour la domination : ∣In(u)∣≤n1k=0∑n−1x∈[xk,xk+1]sup∣f(x)∣≤n1k=0∑n−1x∈[0,1]sup∣f(x)∣=x∈[0,1]sup∣f(x)∣, la dernière constante étant intégrable sur [0,1]. On peut donc appliquer le théorème de convergence dominée pour obtenir : n→+∞lim∫01f(t)g(nt)dt=∫01n→+∞limIn(u)g(u)du=∫01(∫01f(x)dx)g(t)dt=(∫01f(t)dt)(∫01g(t)dt).
Soit [y] la partie entière d’un réel y. On a n1∫0ncg(x)dx=n1∫0[nc]g(x)dx+n1∫[nc]ncg(x)dx. Or, comme g est 1-périodique, on a par changement de variable x=[nc]x′ : n1∫0[nc]g(x)dx=n[nc]∫01g(x)dx. De plus ∣∣∣∣∣∣n1∫[nc]ncg(x)dx∣∣∣∣∣∣≤n1∫01∣g(x)∣dx. Comme 1/n→0 et n[nc]→c (car nc=[nc]+cn avec cn∈[0,1[), on en déduit la limite préliminaire. Posons f(x)=1[0,c](x) la fonction indicatrice de [0,c] avec 0≤c<1. Alors ∫01f(t)g(nt)dt=∫0cg(nt)dt=n1∫0ncg(x)dx. On a donc bien n→+∞lim∫01f(t)g(nt)dt=c∫01g(u)du=(∫01f(t)dt)(∫01g(t)dt). Les quantités sont linéaires en 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) avec 0≤a<b<1, et donc également pour les fonctions en escaliers sur [0,1].