Exercices de Intégrales à paramètres en maths Spé (prépa) (page 2) | The Maths Tailor
Exercices de Intégrales à paramètres, Spé (prépa) (page 2)
211 exercices de Intégrales à paramètres pour les maths Spé (prépa), avec tous les énoncés en accès libre. 2 corrigés sont offerts ; les autres corrigés sont réservés aux abonnés. Au programme du chapitre : Passage à la limite, Continuité, Dérivabilité.
Soit f la fonction donnée par f(x)=∫0π/2sinx(t)dt.
Q1-Montrer que f est définie et positive sur ]−1;+∞[.
Q2-Montrer que f est de classe C1 et préciser sa monotonie.
Q3-Former une relation entre f(x+2) et f(x) pour tout x>−1.
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On pose u(x,t)=sinx(t)=exlnsint pour t∈]0,π/2].
(a) Définition et positivité sur ]−1,+∞[.
Pour t∈]0,π/2], sint∈]0,1] donc u(x,t)>0 est bien défini pour tout x∈R et t↦u(x,t) est continue sur ]0,π/2]. Au voisinage de 0+, sint∼t donc u(x,t)∼tx, qui est intégrable en 0 si, et seulement si, x>−1. Par positivité de l'intégrande et comparaison, f(x) converge (absolument) si et seulement si x>−1 ; sur ]−1,+∞[, f(x)>0 comme intégrale d'une fonction continue positive non identiquement nulle.
(b) Classe C1 et décroissance.
La dérivée partielle en x est ∂x∂u(x,t)=sinx(t)ln(sint), avec ln(sint)<0 sur ]0,π/2[ (et =0 en t=π/2).
On applique le théorème de dérivation sous le signe intégral. Pour tout t, x↦u(x,t) est C1 ; pour tout x, t↦u(x,t) est continue. Domination locale sur les segments : soit [c,d]⊂]−1,+∞[. Au voisinage de t=0, ∣sinx(t)ln(sint)∣≤Ctc∣lnt∣ pour x∈[c,d] (en majorant sinxt≤C′tc comme en (a) et ∣lnsint∣≤C′′∣lnt∣ au voisinage de 0), et t↦tc∣lnt∣ est intégrable au voisinage de 0 car c>−1 (intégrabilité classique de tα∣lnt∣ pour α>−1). Sur [ε,π/2] pour tout ε>0, la fonction est bornée par continuité et compacité. On obtient ainsi une domination locale intégrable, indépendante de x∈[c,d].
Donc f est de classe C1 sur ]−1,+∞[, avecf′(x)=∫0π/2sinx(t)ln(sint)dt.Comme sinx(t)>0 et ln(sint)≤0 sur ]0,π/2] (non identiquement nul), f′(x)<0 : f est strictement décroissante sur ]−1,+∞[.
(c) Relation f(x+2)=x+2x+1f(x).
Pour x>−1, intégrons par parties :f(x+2)=∫0π/2sinx+1(t)sin(t)dt.Avec U=sinx+1(t), dV=sin(t)dt, donc dU=(x+1)sinx(t)cos(t)dt et V=−cost :f(x+2)=[−sinx+1(t)cos(t)]0π/2+(x+1)∫0π/2sinx(t)cos2(t)dt=0+(x+1)∫0π/2sinx(t)(1−sin2t)dt,(le crochet est nul car cos(π/2)=0 et sin(0)=0, en supposant x+1>0, sinon on justifie par un argument de convergence dominée aux bornes). D'oùf(x+2)=(x+1)f(x)−(x+1)f(x+2)⟹(x+2)f(x+2)=(x+1)f(x),soitf(x+2)=x+2x+1f(x).(d) φ(x)=xf(x)f(x−1) : périodicité et valeur aux entiers.
En décalant la relation de (c) d'un rang (appliquée en x−1) : f(x+1)=x+1xf(x−1). Ainsi, pour x>0 :φ(x+1)=(x+1)f(x+1)f(x)=(x+1)⋅x+1xf(x−1)⋅f(x)=xf(x−1)f(x)=φ(x).La suite (φ(n))n≥1 est donc constante, égale à φ(1)=1⋅f(1)⋅f(0). Orf(0)=∫0π/2dt=2π,f(1)=∫0π/2sintdt=[−cost]0π/2=1.Donc φ(1)=2π, et par récurrence φ(n)=2π pour tout n∈N∗ (ce sont, à un facteur près, les intégrales de Wallis).
(e) Équivalent en −1+.
Dans la relation (c), on fait tendre x→−1+ : f est continue en 1 (d'après (b), 1∈]−1,+∞[), donc f(x+2)→f(1)=1, et (x+2)→1. La relation (x+1)f(x)=(x+2)f(x+2) donne alors(x+1)f(x)x→−1+1⋅1=1,d’ouˋf(x)x→−1+∼x+11.
70.Égalité ∫1+t2arctan(x/t)dt=∫t2−1lntdt
Montrer que, pour tout x réel positif,∫0+∞1+t2arctan(x/t)dt=∫0xt2−1lntdt.
71.Fonction f(z)=∫011+ttzdt complexe
Soit Ω={z∈C∣Rez>−1}. Si z∈Ω, on pose f(z)=∫011+ttzdt.