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Licence 2 · Analyse L2 — Séries et intégrales généralisées

Intégrales généralisées

Intégrales généralisées (impropres)

1. Définitions

Intégrale en +∞+\infty : ∫a+∞f(t) dt=lim⁡x→+∞∫axf(t) dt\int_a^{+\infty} f(t)\,dt = \lim_{x\to+\infty}\int_a^x f(t)\,dt (si la limite existe et est finie).

Intégrale avec singularité en bb : ∫abf(t) dt=lim⁡ε→0+∫ab−εf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt = \lim_{\varepsilon\to0^+}\int_a^{b-\varepsilon} f(t)\,dt.

2. Intégrales de référence

∫1+∞dttα converge⇔α>1\int_1^{+\infty}\frac{dt}{t^\alpha}\text{ converge} \Leftrightarrow \alpha>1

∫01dttα converge⇔α<1\int_0^1\frac{dt}{t^\alpha}\text{ converge} \Leftrightarrow \alpha<1

Intégrale de Gauss-Euler : ∫0+∞e−t2dt=π2\int_0^{+\infty}e^{-t^2}dt=\frac{\sqrt{\pi}}{2}.

3. Critères de convergence

Critère de comparaison : si 0≤f(t)≤g(t)0\leq f(t)\leq g(t) et ∫g\int g converge, alors ∫f\int f converge.

Critère des équivalents : si f(t)∼t→+∞g(t)≥0f(t)\sim_{t\to+\infty} g(t)\geq0, les intégrales ont même nature.

Convergence absolue : si ∫∣f∣\int|f| converge, alors ∫f\int f converge.

4. Règles de calcul

Intégration par parties : ∫a+∞f′g=[fg]a+∞−∫a+∞fg′\int_a^{+\infty}f'g = [fg]_a^{+\infty}-\int_a^{+\infty}fg'.

Changement de variable : ∫a+∞f(u(t))u′(t) dt\int_a^{+\infty}f(u(t))u'(t)\,dt.

5. Exemples fondamentaux

∫0+∞e−tdt=1\int_0^{+\infty}e^{-t}dt = 1

∫0+∞tα−1e−tdt=Γ(α)(α>0)\int_0^{+\infty}t^{\alpha-1}e^{-t}dt = \Gamma(\alpha) \quad (\alpha>0)

avec Γ(n)=(n−1)!\Gamma(n)=(n-1)! pour n∈N∗n\in\mathbb{N}^*.

Formule de la fonction Gamma : Γ(α+1)=αΓ(α)\Gamma(\alpha+1)=\alpha\Gamma(\alpha).

Exercices de la leçon

Exercice 1

L'intégrale ∫1+∞dtt2\int_1^{+\infty}\frac{dt}{t^2} est égale à :

Corrigé

∫1+∞t−2dt=[−t−1]1+∞=0−(−1)=1\int_1^{+\infty}t^{-2}dt=\left[-t^{-1}\right]_1^{+\infty}=0-(-1)=1.

Exercice 2

Vrai ou faux : ∫1+∞dtt\int_1^{+\infty}\frac{dt}{t} converge.

Corrigé

Faux. ∫1xdt/t=[ln⁡t]1x=ln⁡x→+∞\int_1^x dt/t=[\ln t]_1^x=\ln x\to+\infty. L'intégrale de Riemann α=1\alpha=1 diverge.

Exercice 3

∫0+∞e−2tdt\int_0^{+\infty}e^{-2t}dt vaut :

Corrigé

∫0+∞e−2tdt=[−e−2t2]0+∞=0−(−1/2)=1/2\int_0^{+\infty}e^{-2t}dt=\left[-\frac{e^{-2t}}{2}\right]_0^{+\infty}=0-(-1/2)=1/2.

Exercice 4

Vrai ou faux : ∫01dt/t\int_0^1 dt/\sqrt{t} converge.

Corrigé

Vrai. ∫01t−1/2dt\int_0^1 t^{-1/2}dt: singularité en 00, α=1/2<1\alpha=1/2<1. Converge : [2t]01=2\left[2\sqrt{t}\right]_0^1=2.

Exercice 5

Quelle est la valeur de Γ(4)\Gamma(4) ?

Corrigé

Γ(4)=(4−1)!=3!=6\Gamma(4)=(4-1)!=3!=6.

Exercice 6

Calculer ∫0+∞te−tdt\int_0^{+\infty}te^{-t}dt par intégration par parties.

Corrigé

IBP : u=tu=t, v′=e−tv'=e^{-t}, donc u′=1u'=1, v=−e−tv=-e^{-t}.
∫0+∞te−tdt=[−te−t]0+∞+∫0+∞e−tdt=0+1=1\int_0^{+\infty}te^{-t}dt=\left[-te^{-t}\right]_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}e^{-t}dt=0+1=1.
(On a lim⁡t→∞te−t=0\lim_{t\to\infty}te^{-t}=0 par croissances comparées.)
Cela donne Γ(2)=1!=1\Gamma(2)=1!=1. ✓

Exercice 7

Étudier la convergence de ∫1+∞ln⁡tt2dt\int_1^{+\infty}\frac{\ln t}{t^2}dt.

Corrigé

Convergence : Pour t≥1t\geq1, ln⁡t≤t\ln t\leq\sqrt{t}, donc 0≤ln⁡tt2≤1t3/20\leq\frac{\ln t}{t^2}\leq\frac{1}{t^{3/2}}. Comme ∫1∞t−3/2dt\int_1^\infty t^{-3/2}dt converge (α=3/2>1\alpha=3/2>1), par comparaison l'intégrale converge.

Calcul (IBP) : u=ln⁡tu=\ln t, v′=t−2v'=t^{-2}, v=−t−1v=-t^{-1} :
∫1∞ln⁡tt2dt=[−ln⁡tt]1∞+∫1∞1t2dt=0+1=1\int_1^\infty\frac{\ln t}{t^2}dt=\left[-\frac{\ln t}{t}\right]_1^\infty+\int_1^\infty\frac{1}{t^2}dt=0+1=1.

Exercice 8

Vrai ou faux : Si ff est continue et ∣f(t)∣≤e−t|f(t)|\leq e^{-t} pour t≥0t\geq0, alors ∫0+∞f(t)dt\int_0^{+\infty}f(t)dt converge.

Corrigé

Vrai. Par comparaison : ∣f(t)∣≤e−t|f(t)|\leq e^{-t} et ∫0∞e−tdt=1<∞\int_0^\infty e^{-t}dt=1<\infty. L'intégrale converge absolument, donc converge.

Exercice 9

Calculer ∫0+∞e−tcos⁡t dt\int_0^{+\infty}e^{-t}\cos t\,dt.

Corrigé

Méthode : I=Re∫0∞e(−1+i)tdt=Re[e(−1+i)t−1+i]0∞=Re11−iI=\text{Re}\int_0^\infty e^{(-1+i)t}dt=\text{Re}\left[\frac{e^{(-1+i)t}}{-1+i}\right]_0^\infty=\text{Re}\frac{1}{1-i}.

11−i=1+i2\frac{1}{1-i}=\frac{1+i}{2}. Donc I=Re(1+i)/2=1/2I=\text{Re}(1+i)/2=1/2.

Exercice 10

Vrai ou faux : ∫0+∞sin⁡(t)dt\int_0^{+\infty}\sin(t)dt converge.

Corrigé

Faux. ∫0xsin⁡t dt=[−cos⁡t]0x=1−cos⁡x\int_0^x\sin t\,dt=[-\cos t]_0^x=1-\cos x, qui n'admet pas de limite quand x→+∞x\to+\infty (oscille entre 00 et 22).

Exercice 11

Montrer que ∫0+∞sin⁡ttdt\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t}dt converge (intégrale de Dirichlet).

Corrigé

Preuve (IBP sur [ε,A][\varepsilon,A]) :
∫εAsin⁡ttdt=[−cos⁡tt]εA−∫εAcos⁡tt2dt\int_\varepsilon^A\frac{\sin t}{t}dt=\left[-\frac{\cos t}{t}\right]_\varepsilon^A-\int_\varepsilon^A\frac{\cos t}{t^2}dt
=cos⁡εε−cos⁡AA−∫εAcos⁡tt2dt=\frac{\cos\varepsilon}{\varepsilon}-\frac{\cos A}{A}-\int_\varepsilon^A\frac{\cos t}{t^2}dt.

Quand ε→0+\varepsilon\to0^+ : cos⁡ε/ε→+∞\cos\varepsilon/\varepsilon\to+\infty... hmm.

Alternative : Critère de Dirichlet (Abel-Dirichlet) : f(t)=sin⁡tf(t)=\sin t a des primitives bornées (∣∫0xsin⁡t∣≤2|\int_0^x\sin t|\leq2) et g(t)=1/tg(t)=1/t décroît vers 00. L'intégrale ∫1∞sin⁡ttdt\int_1^\infty\frac{\sin t}{t}dt converge. L'intégrale sur [0,1][0,1] converge absolument.

Exercice 12

Calculer Γ(1/2)\Gamma(1/2) sachant que ∫−∞+∞e−t2dt=π\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-t^2}dt=\sqrt{\pi}.

Corrigé

Γ(1/2)=∫0∞t−1/2e−tdt\Gamma(1/2)=\int_0^\infty t^{-1/2}e^{-t}dt. Changement de variable t=u2t=u^2, dt=2u dudt=2u\,du :
Γ(1/2)=∫0∞u−1e−u22u du=2∫0∞e−u2du=π\Gamma(1/2)=\int_0^\infty u^{-1}e^{-u^2}2u\,du=2\int_0^\infty e^{-u^2}du=\sqrt{\pi}.

Exercice 13

Vrai ou faux : ∫1+∞cos⁡ttdt\int_1^{+\infty}\frac{\cos t}{t}dt converge absolument.

Corrigé

Faux. ∣cos⁡t/t∣∼1/(πk)|\cos t/t|\sim1/(\pi k) sur les intervalles [kπ−π/2,kπ+π/2][k\pi-\pi/2, k\pi+\pi/2] et la série harmonique diverge. L'intégrale converge (Dirichlet) mais pas absolument.

Exercice 14

Calculer ∫01tnln⁡t dt\int_0^1 t^n\ln t\,dt pour n≥0n\geq0.

Corrigé

IBP : u=ln⁡tu=\ln t, v′=tnv'=t^n, v=tn+1/(n+1)v=t^{n+1}/(n+1).
∫01tnln⁡t dt=[tn+1ln⁡tn+1]01−∫01tnn+1dt\int_0^1 t^n\ln t\,dt=\left[\frac{t^{n+1}\ln t}{n+1}\right]_0^1-\int_0^1\frac{t^n}{n+1}dt
=0−1n+1⋅1n+1=−1(n+1)2=0-\frac{1}{n+1}\cdot\frac{1}{n+1}=-\frac{1}{(n+1)^2}.
(Le terme tn+1ln⁡t→0t^{n+1}\ln t\to0 en 00 par croissances comparées.)

Exercice 15

Vrai ou faux : Si ff est continue sur [0,+∞[[0,+\infty[, f(t)≥0f(t)\geq0 et ∫0+∞f(t)dt<∞\int_0^{+\infty}f(t)dt<\infty, alors f(t)→0f(t)\to0 quand t→+∞t\to+\infty.

Corrigé

Faux. Contre-exemple : des bosses de hauteur 11 et de largeur 1/n21/n^2 centrées en nn. La fonction est ≥0\geq0, intégrable (la somme des aires ∑1/n2<∞\sum1/n^2<\infty), mais ne tend pas vers 00 (elle revient à 11 chaque fois).

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