Exercice 1 - Exercice 1

55 min
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Voici quelques exemples simples pour débuter son apprentissage.
Question 1

Soit aa un nombre réel.
Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫1+∞tae−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} t^a e^{-t} \, dt}.

Correction
Commençons par remarquer que e−t=e−(t2+t2)=e−t2−t2=e−t2×e−t2e^{-t} = e^{-\left( \frac{t}{2} + \frac{t}{2} \right)} = e^{-\frac{t}{2} - \frac{t}{2} } = e^{-\frac{t}{2}} \times e^{-\frac{t}{2}}. Donc, on a :
∫1+∞tae−t dt=∫1+∞tae−t2×e−t2 dt\int_1^{+\infty} t^a e^{-t} \, dt = \int_1^{+\infty} t^a e^{-\frac{t}{2}} \times e^{-\frac{t}{2}} \, dt
De plus, par croissances comparées, on sait que :
lim⁡t⟶+∞tae−t2=0+\lim_{t \longrightarrow + \infty} t^a e^{-\frac{t}{2}} = 0^+
Ceci nous assure de l'existence d'un certain nombre réel TT tel que :
∃T∈R+,  ∀t>T,  tae−t2<1\exist T \in \mathbb{R}^+, \,\, \forall t > T, \,\, t^a e^{-\frac{t}{2}} < 1
Ainsi, on en déduit immédiatement que :
∃T∈R+,  ∀t>T,  tae−t2×e−t2<1×e−t2\exist T \in \mathbb{R}^+, \,\, \forall t > T, \,\, t^a e^{-\frac{t}{2}} \times e^{-\frac{t}{2}} < 1 \times e^{-\frac{t}{2}}
Soit :
∃T∈R+,  ∀t>T,  tae−t<e−t2\exist T \in \mathbb{R}^+, \,\, \forall t > T, \,\, t^a e^{-t} < e^{-\frac{t}{2}}
Or, l'intégrale ∫1+∞e−t2 dt\displaystyle{\int_1^{+\infty}} e^{-\frac{t}{2}} \, dt est convergente d'après le cours. Néanmoins, on a :
∫1xe−t2 dt=[1−12e−t2]1x=[−2e−t2]1x=[2e−t2]x1=2[e−t2]x1=2(e−12−e−x2)\int_1^{x} e^{-\frac{t}{2}} \, dt = \left[ \dfrac{1}{-\dfrac{1}{2}} e^{-\frac{t}{2}} \right]_1^{x} = \left[ -2 e^{-\frac{t}{2}} \right]_1^{x} = \left[ 2 e^{-\frac{t}{2}} \right]_x^{1} = 2\left[ e^{-\frac{t}{2}} \right]_x^{1} = 2\left( e^{-\frac{1}{2}} - e^{-\frac{x}{2}} \right)
Donc :
lim⁡x⟶+∞(2(e−12−e−x2))=2e−12\lim_{x \longrightarrow + \infty} \left( 2\left( e^{-\frac{1}{2}} - e^{-\frac{x}{2}} \right)\right) = 2 e^{-\frac{1}{2}}
Et ceci implique que l'intégrale ∫1+∞e−t2 dt\displaystyle{\int_1^{+\infty}} e^{-\frac{t}{2}} \, dt est bien de nature convergente.
D'après le théorème de comparaison, on en déduit immédiatement que l'intégrale ∫1+∞tae−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} t^a e^{-t} \, dt} est également de nature convergente.

Question 2

Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫1+∞t5+2t+πt3+3t+π7 e−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{t^5 + 2t + \pi}{t^3 + \sqrt{3}t + \pi\sqrt{7}} \, e^{-t} \, dt}.

Correction
On sait que :
t5+2t+πt3+3t+π7∼+∞t5t3∼+∞t2\dfrac{t^5 + 2t + \pi}{t^3 + \sqrt{3}t + \pi\sqrt{7}} \underset{+\infty}{\sim} \dfrac{t^5}{t^3 } \underset{+\infty}{\sim} t^2
De fait :
t5+2t+πt3+3t+π7 e−t∼+∞t2 e−t\dfrac{t^5 + 2t + \pi}{t^3 + \sqrt{3}t + \pi\sqrt{7}} \, e^{-t} \underset{+\infty}{\sim} t^2 \, e^{-t}
Or, on vient de montrer à la question précédente que l'intégrale ∫1+∞tae−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} t^a e^{-t} \, dt} est également de nature convergente. En posant a=2a=2, on peut donc affirmer que l'intégrale ∫1+∞t2e−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} t^2 e^{-t} \, dt} est de nature convergente.
Comme on sait que les deux intégrales ∫1+∞t2e−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} t^2 e^{-t} \, dt} et ∫1+∞t5+2t+πt3+3t+π7 e−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{t^5 + 2t + \pi}{t^3 + \sqrt{3}t + \pi\sqrt{7}} \, e^{-t} \, dt} sont de même nature, cela implique que l'intégrale ∫1+∞t5+2t+πt3+3t+π7 e−t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{t^5 + 2t + \pi}{t^3 + \sqrt{3}t + \pi\sqrt{7}} \, e^{-t} \, dt} est bien convergente.
Question 3

Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫0+∞21+t2 dt\displaystyle{\int_0^{+\infty} \dfrac{2}{1+t^2} \, dt}.

Correction
Soit bb un réel strictement plus grand que 00.
On a l'intégrale suivante :
∫0b21+t2 dt=2∫0b11+t2 dt=2[arctan⁡(t)]0b=2(arctan⁡(b)−arctan⁡(0))=2(arctan⁡(b)−0)=2arctan⁡(b)\int_0^{b} \dfrac{2}{1+t^2} \, dt = 2 \int_0^{b} \dfrac{1}{1+t^2} \, dt = 2 \left[ \arctan(t) \right]_0^{b} = 2 \left( \arctan(b) - \arctan(0) \right) = 2 \left( \arctan(b) - 0 \right) = 2 \arctan(b)
Mais, on sait que :
lim⁡b⟶+∞arctan⁡(b)=π2\lim_{b \longrightarrow + \infty} \arctan(b) = \dfrac{\pi}{2}
Donc :
lim⁡b⟶+∞2arctan⁡(b)=2×π2=π\lim_{b \longrightarrow + \infty} 2\arctan(b) = 2\times\dfrac{\pi}{2} = \pi
De plus, on a :
∫0+∞21+t2 dt=lim⁡b⟶+∞∫0b21+t2 dt\displaystyle{\int_0^{+\infty} \dfrac{2}{1+t^2} \, dt} = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \displaystyle{\int_0^{b} \dfrac{2}{1+t^2} \, dt}
Finalement, on peut donc écrire que :
∫0+∞21+t2 dt=π\displaystyle{\int_0^{+\infty} \dfrac{2}{1+t^2} \, dt} = \pi
Ce qui nous permet d'affirmer que l'intégrale étudiée converge bien.
Question 4

Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫1+∞π1+t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\pi}{1+t} \, dt}.

Correction
On a :
∫1+∞π1+t dt=π∫1+∞11+t dt=π∫1+∞(1+t)′1+t dt=lim⁡b⟶+∞(π∫1b(1+t)′1+t dt)=πlim⁡b⟶+∞(∫1b(1+t)′1+t dt)\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\pi}{1+t} \, dt} = \pi \int_1^{+\infty} \dfrac{1}{1+t} \, dt = \pi \int_1^{+\infty} \dfrac{(1+t)'}{1+t} \, dt = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \pi \int_1^{b} \dfrac{(1+t)'}{1+t} \, dt \right) = \pi \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \int_1^{b} \dfrac{(1+t)'}{1+t} \, dt \right)
Ainsi :
∫1+∞π1+t dt=πlim⁡b⟶+∞([ln⁡(1+t)]1b)=πlim⁡b⟶+∞(ln⁡(1+b)−ln⁡(1+1))=πlim⁡b⟶+∞(ln⁡(1+b)−ln⁡(2))\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\pi}{1+t} \, dt} = \pi \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \left[ \ln(1+t) \right]_1^{b} \right) = \pi \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \ln(1+b) - \ln(1+1) \right) =\pi \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \ln(1+b) - \ln(2) \right)
Donc :
∫1+∞π1+t dt=πlim⁡b⟶+∞(ln⁡(1+b2))=lim⁡b⟶+∞(πln⁡(1+b2))=lim⁡b⟶+∞ln⁡((1+b2)π)\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\pi}{1+t} \, dt} = \pi \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \ln\left( \dfrac{1+b}{2} \right) \right) = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \left( \pi \ln\left( \dfrac{1+b}{2} \right) \right) = \lim_{b \longrightarrow + \infty} \ln\left( \left(\dfrac{1+b}{2} \right)^\pi \right)
Or cette limite s'identifie à +∞+\infty, donc il est possible d'afformer que l'intégrale ∫1+∞π1+t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\pi}{1+t} \, dt} diverge.
Question 5

Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫01ln⁡(t) dt\displaystyle{\int_0^1 \ln(t) \, dt}.

Correction
On a :
lim⁡t⟶0+ln⁡(t)=−∞\lim_{t \longrightarrow 0^+} \ln(t) = - \infty
Ainsi :
∫01ln⁡(t) dt=lim⁡x⟶0∫x1(1×ln⁡(t)) dt\int_0^1 \ln(t) \, dt = \lim_{x \longrightarrow 0} \int_x^1 \left( 1 \times \ln(t) \right) \, dt
Par une intégration par parties, on obtient :
∫x1(1×ln⁡(t)) dt=[tln⁡(t)]x1−∫x1(t×1t) dt=[tln⁡(t)]x1−∫x11 dt=[tln⁡(t)]x1−[t]x1=[tln⁡(t)−t]x1\int_x^1 \left( 1 \times \ln(t) \right) \, dt = \left[ t \ln(t) \right]_x^1 - \int_x^1 \left( t \times \dfrac{1}{t} \right) \, dt = \left[ t \ln(t) \right]_x^1 - \int_x^1 1 \, dt = \left[ t \ln(t) \right]_x^1 - \left[ t \right]_x^1 = \left[ t \ln(t) - t \right]_x^1
Soit :
∫x1ln⁡(t) dt=1ln⁡(1)−1−xln⁡(x)+x=x−xln⁡(x)−1\int_x^1 \ln(t) \, dt = 1 \ln(1) - 1 - x \ln(x) + x = x - x \ln(x) -1
Donc :
lim⁡x⟶0∫x1ln⁡(t) dt=lim⁡x⟶0(x−xln⁡(x)−1)=lim⁡x⟶0(x)−lim⁡x⟶0(xln⁡(x))−lim⁡x⟶01=0−0−1=−1\lim_{x \longrightarrow 0} \int_x^1 \ln(t) \, dt = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( x - x \ln(x) -1 \right) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( x \right) - \lim_{x \longrightarrow 0} \left( x \ln(x) \right) - \lim_{x \longrightarrow 0} 1 = 0 - 0 - 1 = -1
On obtient alors :
∫01ln⁡(t) dt=−1\int_0^1 \ln(t) \, dt = - 1
En conclusion, l'intégrale ∫01ln⁡(t) dt\displaystyle{\int_0^1 \ln(t) \, dt} converge.
Question 6

Etudier l'éventuelle convergence de l'intégrale ∫011t dt\displaystyle{\int_0^1 \dfrac{1}{t} \, dt}.

Correction
On a :
lim⁡t⟶0+1t=+∞\lim_{t \longrightarrow 0^+} \dfrac{1}{t} = + \infty
Ainsi :
∫011t dt=lim⁡x⟶0∫x11t dt=lim⁡x⟶0([ln⁡(t)]x1)=lim⁡x⟶0(ln⁡(1)−ln⁡(x))=lim⁡x⟶0(0−ln⁡(x))=−lim⁡x⟶0ln⁡(x)=−(−∞)\int_0^1 \dfrac{1}{t} \, dt = \lim_{x \longrightarrow 0} \int_x^1 \dfrac{1}{t} \, dt = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( \left[ \ln(t) \right]_x^1 \right) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( \ln(1) - \ln(x) \right) = \lim_{x \longrightarrow 0} \left( 0 - \ln(x) \right) = - \lim_{x \longrightarrow 0} \ln(x) = - (- \infty)
Donc :
∫011t dt=lim⁡x⟶0∫x11t dt=+∞\int_0^1 \dfrac{1}{t} \, dt = \lim_{x \longrightarrow 0} \int_x^1 \dfrac{1}{t} \, dt = +\infty
En conclusion, l'intégrale ∫011t dt\displaystyle{\int_0^1 \dfrac{1}{t} \, dt} diverge.
Question 7

Etudier l'éventuelle convergence, et la semi-convergence, de l'intégrale ∫1+∞sin⁡(t)t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt}.

Correction
On a :
∫1+∞sin⁡(t)t dt=lim⁡x⟶+∞∫1xsin⁡(t)t dt\int_1^{+\infty} \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \int_1^x \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt
Avec :
∫1xsin⁡(t)t dt=∫1x(1t×sin⁡(t)) dt\int_1^x \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt = \int_1^x \left( \dfrac{1}{t} \times \sin(t) \right) \, dt
Par une intégration par parties, on a :
∫1xsin⁡(t)t dt=[−cos⁡(t)t]1x−∫1x((−1t2)×(−cos⁡(t))) dt\int_1^x \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt = \left[ -\dfrac{\cos(t)}{t} \right]_1^x - \int_1^x \left( \left( -\dfrac{1}{t^2} \right) \times \left( -\cos(t) \right) \right) \, dt
Soit :
∫1xsin⁡(t)t dt=[cos⁡(t)t]x1−∫1xcos⁡(t)t2 dt=cos⁡(1)1−cos⁡(x)x−∫1xcos⁡(t)t2 dt\int_1^x \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt = \left[ \dfrac{\cos(t)}{t} \right]_x^1 - \int_1^x \dfrac{\cos(t)}{t^2} \, dt = \dfrac{\cos(1)}{1} - \dfrac{\cos(x)}{x} - \int_1^x \dfrac{\cos(t)}{t^2} \, dt
Soit encore :
∫1xsin⁡(t)t dt=cos⁡(1)−cos⁡(x)x−∫1xcos⁡(t)t2 dt\int_1^x \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt = \cos(1) - \dfrac{\cos(x)}{x} - \int_1^x \dfrac{\cos(t)}{t^2} \, dt
Or, on sait que :
∀x∈R,   −1⩽cos⁡(x)⩽1\forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, -1 \leqslant \cos(x) \leqslant 1
Donc :
∀x∈R⋆,   −1x⩽cos⁡(x)x⩽1x\forall x \in \mathbb{R}^\star, \,\,\, -\dfrac{1}{x} \leqslant \dfrac{\cos(x)}{x} \leqslant \dfrac{1}{x}
Or, on a :
lim⁡x⟶+∞(−1x)=lim⁡x⟶+∞(1x)=0\lim_{x \longrightarrow +\infty} \left( -\dfrac{1}{x} \right) = \lim_{x \longrightarrow +\infty} \left( \dfrac{1}{x} \right) = 0
Ainsi, selon le théorème de l'encadrement, on, a :
lim⁡x⟶+∞cos⁡(x)x=0\lim_{x \longrightarrow +\infty} \dfrac{\cos(x)}{x} = 0
De fait :
lim⁡x⟶+∞(cos⁡(1)−cos⁡(x)x)=cos⁡(1)\lim_{x \longrightarrow +\infty} \left( \cos(1) - \dfrac{\cos(x)}{x} \right) = \cos(1)
De plus, on peut écrire que :
∀t∈R,   −1⩽cos⁡(t)⩽1\forall t \in \mathbb{R}, \,\,\, -1 \leqslant \cos(t) \leqslant 1
Donc :
∀t∈R⋆,   −1t2⩽cos⁡(t)t2⩽1t2\forall t \in \mathbb{R}^\star, \,\,\, -\dfrac{1}{t^2} \leqslant \dfrac{\cos(t)}{t^2} \leqslant \dfrac{1}{t^2}
Or l'intégrale ∫1+∞1t2 dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{1}{t^2} \, dt} est de type Riemann convergente. Il s'ensuit, par le théorème de comparaison, que l'intégrale ∫1+∞cos⁡(t)t2 dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\cos(t)}{t^2} \, dt} est elle même convergente.
Ceci nous permet donc d'affirmer que l'intégrale ∫1+∞sin⁡(t)t dt\displaystyle{\int_1^{+\infty} \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt} est elle même de nature convergente.
Analysons maintenant l'absolue convergence.
On a :
∀t∈R,   0⩽∣sin⁡(t)∣⩽1\forall t \in \mathbb{R}, \,\,\, 0 \leqslant |\sin(t)| \leqslant 1
Ainsi :
∀t∈R,   0⩽∣sin⁡(t)∣2⩽∣sin⁡(t)∣\forall t \in \mathbb{R}, \,\,\, 0 \leqslant |\sin(t)|^2 \leqslant |\sin(t)|
Ou de manière identique :
∀t∈R,   0⩽sin⁡2(t)⩽∣sin⁡(t)∣\forall t \in \mathbb{R}, \,\,\, 0 \leqslant \sin^2(t) \leqslant |\sin(t)|
On a alors :
∀t∈R+⋆,   0⩽sin⁡2(t)t⩽∣sin⁡(t)∣t\forall t \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\,\, 0 \leqslant \dfrac{\sin^2(t)}{t} \leqslant \dfrac{|\sin(t)|}{t}
Qui peut également être écrit comme :
∀t∈R+⋆,   0⩽1−cos⁡(2t)2t⩽∣sin⁡(t)∣t\forall t \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\,\, 0 \leqslant \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \leqslant \dfrac{|\sin(t)|}{t}
Et comme ∈R+⋆ \in \mathbb{R}^{+\star} on a de fait :
∀t∈R+⋆,   0⩽1−cos⁡(2t)2t⩽∣sin⁡(t)t∣\forall t \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\,\, 0 \leqslant \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \leqslant \left\vert \dfrac{\sin(t)}{t} \right\vert
Soit x>1x >1. On a alors :
∫1x1−cos⁡(2t)2t dt=∫1x12t dt−∫1xcos⁡(2t)2t dt=12∫1x1t dt−12∫1xcos⁡(2t)t dt\int_1^{x} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt = \int_1^{x} \dfrac{1}{2t} \, dt - \int_1^{x} \dfrac{\cos(2t)}{2t} \, dt = \dfrac{1}{2}\int_1^{x} \dfrac{1}{t} \, dt - \dfrac{1}{2}\int_1^{x} \dfrac{\cos(2t)}{t} \, dt
Par une intégration directe et une intégration par parties, on obtient (avec ln⁡(1)=0\ln(1) = 0) :
∫1x1−cos⁡(2t)2t dt=12[ln⁡(t)]1x−12∫1xcos⁡(2t)t dt=12ln⁡(x)−12∫1x1tcos⁡(2t) dt\int_1^{x} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt = \dfrac{1}{2}\left[ \ln(t) \right]_1^{x} - \dfrac{1}{2}\int_1^{x} \dfrac{\cos(2t)}{t} \, dt = \dfrac{1}{2} \ln(x) - \dfrac{1}{2}\int_1^{x} \dfrac{1}{t} \cos(2t) \, dt
Soit :
∫1x1−cos⁡(2t)2t dt=12ln⁡(x)−12([1t12sin⁡(2t)]1x−∫1x(−1t2)(12sin⁡(2t)) dt)\int_1^{x} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt = \dfrac{1}{2} \ln(x) - \dfrac{1}{2} \left( \left[ \dfrac{1}{t} \dfrac{1}{2}\sin(2t) \right]_1^{x} - \int_1^{x} \left( -\dfrac{1}{t^2} \right) \left( \dfrac{1}{2}\sin(2t) \right) \, dt \right)
Ce qui nous donne :
∫1x1−cos⁡(2t)2t dt=12ln⁡(x)−12(sin⁡(2x)2x−sin⁡(2)2+12∫1xsin⁡(2t)t2 dt)\int_1^{x} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt = \dfrac{1}{2} \ln(x) - \dfrac{1}{2} \left( \dfrac{\sin(2x)}{2x} - \dfrac{\sin(2)}{2} + \dfrac{1}{2} \int_1^{x} \dfrac{\sin(2t)}{t^2} \, dt \right)
On a donc :
∫1x1−cos⁡(2t)2t dt=12ln⁡(x)+sin⁡(2x)4x+sin⁡(2)4−14∫1xsin⁡(2t)t2 dt\int_1^{x} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt = \dfrac{1}{2} \ln(x) + \dfrac{\sin(2x)}{4x} + \dfrac{\sin(2)}{4} - \dfrac{1}{4} \int_1^{x} \dfrac{\sin(2t)}{t^2} \, dt
Or, on a :
lim⁡x⟶+∞12ln⁡(x)=12lim⁡x⟶+∞ln⁡(x)=+∞\lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{2} \ln(x) = \dfrac{1}{2} \lim_{x \longrightarrow + \infty} \ln(x) = + \infty
Donc le terme 12ln⁡(x)\dfrac{1}{2} \ln(x) est divergent lorsque xx tend vers +∞+\infty. Ceci implique que l'intégrale ∫1+∞1−cos⁡(2t)2t dt\int_1^{+\infty} \dfrac{1-\cos(2t)}{2t} \, dt est divergente.
En conséquence immédiate, d'après le théorème des comparaisons, l'intégrale ∫1+∞∣sin⁡(t)t∣ dt\int_1^{+\infty} \left\vert \dfrac{\sin(t)}{t} \right\vert \, dt est elle-même divergente.
On a donc démontrer que l'intégrale ∫1+∞∣sin⁡(t)t∣ dt\int_1^{+\infty} \left\vert \dfrac{\sin(t)}{t} \right\vert \, dt est divergente et que l'intégrale ∫1+∞sin⁡(t)t dt\int_1^{+\infty} \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt est convergente.
En conclusion, l'intégrale ∫1+∞sin⁡(t)t dt\int_1^{+\infty} \dfrac{\sin(t)}{t} \, dt est semi-convergente.

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