Interversion
Tout le programme de MP, PSI, PC en Analyse tourne autour des interversions :
lim∫=∫lim, ∫∑=∑∫ et lim∑=∑lim.
Limite-Intégrale
- Cas d’un segment [a,b] (Convergence uniforme) : Si (fn) CVU sur [a,b], alors n→∞lim∫abfn(x)dx=∫abn→∞limfn(x)dx.
- Cas d’un intervalle quelconque I (Convergence dominée) :
Si (fn) CVS sur I et pour tout n, ∣fn(x)∣≤∣g(x)∣ sur I avec ∫I∣g(x)∣dx<∞,
alors n→∞lim∫abfn(x)dx=∫abn→∞limfn(x)dx.
Intégrale-Somme
Méthode 1 (1er réflexe)
- Convergence normale sur [a,b] : Si ∑∥un∥∞<∞, alors ∫abn≥0∑un(x)dx=n≥0∑∫abun(x)dx.
- Intégration terme à terme sur I quelconque : Si ∑∫I∣un∣dx<∞, alors ∫In≥0∑un(x)dx=n≥0∑∫Iun(x)dx.
Méthode 2 (Si Méthode 1 ne marche pas)
Si la CVN (qui implique la CVU) n’a pas lieu, on montre que la série ∑un CVU, i.e. que la suite des sommes partielles CVU. Alors : n→∞lim∫abk=0∑nuk(x)dx=∫abn→∞limk=0∑nuk(x)dx=∫abk=0∑∞uk(x)dx. Comme ∫abk=0∑n=k=0∑n∫ab (c’est une somme finie), on en déduit que k=0∑n∫ab a une limite et donc que k=0∑∞∫abuk(x)dx=∫abk=0∑∞uk(x)dx.
Cas typique : Série de fonctions alternées.
Si ∑∫I∣un∣dx=∞, on ne peut pas appliquer le thm d’intégration terme à terme. On revient alors aux sommes partielles et on montre que k=0∑nuk(x) CVS vers une fonction intégrable sur I et est dominée par une fonction intégrable, i.e. pour tout n, ∣∣∣∣∣∣k=0∑nuk(x)∣∣∣∣∣∣≤S(x) avec ∫IS(x)dx<∞. Alors on peut appliquer le thm de CV dominée et c’est la même chanson que juste avant :
∫Ik=0∑∞uk(x)dx=∫In→∞limk=0∑nuk(x)dx=n→∞lim∫Ik=0∑nuk(x)dx=n→∞limk=0∑n∫Iuk(x)dx=k=0∑∞∫Iuk(x)dx. Cas typique : Séries géométriques où on peut facilement faire la domination.
Limite-Somme
Si ∑un(x) CVU sur [a,b[ (b fini ou infini) et que x→blimun(x) existe alors x→blimn≥0∑un(x)=n≥0∑x→blimun(x).
Remarque :
- Les hypothèses “continues par morceaux” dans les gros théorèmes de convergence dominée et d’ITT sont ad-hoc pour les prépas. Il faut les citer pour jouer le jeu mais passer très vite pour se concentrer sur l’important : CVS, intégralité, domination.
- S’il faut établir la continuité d’une intégrale à paramètre ou d’une somme, alors bien sûr les hypothèses de continuité sont très importantes.
Exercices associés
- Soit a>0. Montrer que ∫011+xadx=n≥0∑1+an(−1)n. Lim quand a→0 ? (Série géométrique, Domination somme partielle, non CVU sur [0,1])
- Soit a,b>0. Montrer que ∫0∞1−e−bxxe−axdx=n≥0∑(a+bn)21 (Série géométrique, ITT).
- Soit θ=0mod2π. Etablir : ∫011−eiθxeiθdx=n>0∑neinθ (Série géométrique, Domination somme partielle).