Exercice 8 : Étudier la convergence de l'intégrale K\mathcal{K} suivante : K=∫0∞1−cos⁡xx2dx\mathcal{K} = \int_{0}^{\infty} \dfrac{1- \cos x}{x^2} dx - Exercice 1

20 min
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Toujours de l'entrainement.
Question 1

Soit x⩾0x \geqslant 0. Étudier la convergence de l'intégrale K\mathcal{K} suivante :
K=∫0∞1−cos⁡xx2dx\mathcal{K} = \int_{0}^{\infty} \dfrac{1- \cos x}{x^2} dx

Correction
On peut écrire que :
K=∫0∞1−cos⁡xx2dx=∫0π1−cos⁡xx2dx+∫π∞1−cos⁡xx2dx\mathcal{K} = \int_{0}^{\infty} \dfrac{1- \cos x}{x^2} dx = \int_{0}^{\pi} \dfrac{1- \cos x}{x^2} dx + \int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} dx
Or l'intégrale ∫0π1−cos⁡xx2dx\displaystyle{\int_{0}^{\pi} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} dx} converge puisque lim⁡x⟶0+1−cos⁡xx2=12\lim_{x\longrightarrow 0^+} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} = \dfrac{1}{2} et que, sur l'intervalle ]0 ; π]]0\,;\,\pi], la fonction x⟼1−cos⁡xx2x \longmapsto \dfrac{1 - \cos x}{x^2} est continue donc intégrable.
En conséquence, l'intégrale ∫0π1−cos⁡xx2dx\int_{0}^{\pi} \dfrac{1- \cos x}{x^2} dx est de nature convergente.
Puis, on sait que ∀x∈R,   1−cos⁡x⩽2\forall x \in \mathbb{R}, \,\,\, 1 - \cos x \leqslant 2. Donc :
∀x∈[π ; +∞[,   1−cos⁡xx2⩽2x2     ⟹     ∫π∞1−cos⁡xx2dx⩽∫π∞2x2dx\forall x \in [\pi \,; \, +\infty[, \,\,\,\dfrac{1 - \cos x}{x^2} \leqslant \dfrac{2}{x^2} \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} dx \leqslant\int_{\pi}^{\infty} \dfrac{2}{x^2} dx
Soit :
∫π∞1−cos⁡xx2dx⩽2∫π∞1x2dx\int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} dx \leqslant 2 \int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1}{x^2} dx
Or l'intégrale majorante ∫π∞1x2dx\displaystyle{\int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1}{x^2} dx} converge (car c'est une intégrale de Riemann\textit{Riemann} de puissance 22). Donc en en déduit que l'intégrale ∫π∞1−cos⁡xx2dx\displaystyle{\int_{\pi}^{\infty} \dfrac{1 - \cos x}{x^2} dx} converge également.
De ce fait, l'intégrale K\mathcal{K} converge.

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