Sujet 1 - Exercice 1

20 min
35
Un classique !
Soient aa et bb deux nombres réels tels que a<ba<b. Soit ff une fonction numérique réelle continue, positive ou nulle sur l'intervalle [a ; b][a \,;\ b]
Question 1

Démontrer que que :
∫abf(x) dx=0   ⟺   ∀x∈[a ; b],  f(x)=0\int_a^b f(x) \, dx = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \forall x \in [a \,;\ b], \,\, f(x) = 0

Correction
Pour démontrer cette équivalence, nous allons démontrer les deux implications, directe et indirecte.
∙  Sens  indirect  (⟸){\color{blue}{\bf{\bullet \,\, Sens \,\, indirect \,\, (\Longleftarrow)}}}
On suppose que ∀x∈[a ; b],  f(x)=0\forall x \in [a \,;\ b], \,\, f(x) = 0. Dans ce cas, l'interprétation géométrique de ∫abf(x) dx\int_a^b f(x) \, dx permet de conclure à sa valeur nulle, c'est immédiat. Donc :
∀x∈[a ; b],  f(x)=0   ⟺   ∫abf(x) dx=0\forall x \in [a \,;\ b], \,\, f(x) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \int_a^b f(x) \, dx = 0
∙∙  Sens  direct  (⟹){\color{blue}{\bf{\bullet \bullet \,\, Sens \,\, direct \,\, (\Longrightarrow)}}}
Pour la réciproque, nous allons entreprendre de démontrer la proposition contraposée. En effet, on sait que :
(∫abf(x) dx=0   ⟹   ∀x∈[a ; b],  f(x)=0)   ⟺   (∃x0∈[a ; b],  f(x)≠0   ⟹   ∫abf(x) dx≠0)\left( \int_a^b f(x) \, dx = 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \forall x \in [a \,;\ b], \,\, f(x) = 0 \right) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left( \exist x_0 \in [a \,;\, b], \,\, f(x) \neq 0 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \int_a^b f(x) \, dx \neq 0 \right)
Ainsi on suppose l'existence d'un réel x0∈[a ; b]x_0 \in [a \,;\, b] tel que f(x0)≠0f(x_0) \neq 0. De fait, comme ff est positive sur [a ; b][a \,;\, b] on a f(x0)>0f(x_0) > 0. Puis, par hypothèse, ff est continue sur [a ; b][a \,;\, b] donc ff reste strictement positive au voisinage de x0x_0. Notons ce voisinage [α ; β]⊆[a ; b][ \alpha \,;\, \beta] \subseteq [a \,;\ b], avec β>α\beta > \alpha. Ainsi on a :
∀x∈[α ; β],  f(x)>0\forall x \in [\alpha \,;\, \beta], \,\, f(x) > 0
La fonction ff étant, par hypothèse, continue sur [a ; b][a \,;\, b] elle est donc également continue sur [α ; β][\alpha \,;\, \beta], et de fait elle y présente un minimum. Notons par mm ce minimum :
m=min⁡(f(x))x∈[α ; β]>0 m = \underset{x \in [\alpha \,;\, \beta]}{\min (f(x))} > 0
De fait, on a alors :
∫abf(x) dx⩾∫αβf(x) dx⩾∫αβm dx\int_a^b f(x) \, dx \geqslant \int_\alpha^\beta f(x) \, dx \geqslant \int_\alpha^\beta m \, dx
Avec :
∫αβm dx=m∫αβ1 dx=m(b−a)>0\int_\alpha^\beta m \, dx = m\int_\alpha^\beta 1 \, dx = m(b-a) >0
Ce qui implique que :
∫abf(x) dx⩾∫αβf(x) dx⩾∫αβm dx>0\int_a^b f(x) \, dx \geqslant \int_\alpha^\beta f(x) \, dx \geqslant \int_\alpha^\beta m \, dx > 0
Ce qui revient à dire que :
∫abf(x) dx≠0\int_a^b f(x) \, dx \neq 0
La proposition contraposée est donc bien démontrer, ce qui implique que la proposition dans le sens directe aussi.
∙∙∙  Conclusion{\color{red}{\bf{\bullet \bullet \bullet \,\, Conclusion }}}
Nous venons de démontrer les deux implication réciproque l'une de l'autre ce qui signifie que l'équivalence est démontrée. Finalement, on a bien :
∫abf(x) dx=0   ⟺   ∀x∈[a ; b],  f(x)=0\int_a^b f(x) \, dx = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \forall x \in [a \,;\ b], \,\, f(x) = 0

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