Sujet 1 - Exercice 1

1 h
90
Voici un problème. C'est donc plus long et plus technique et transversal.
Question 1
Soit α\alpha et β\beta deux nombres réels strictement positifs.
On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)=1α+βcos⁡2(x)f(x) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(x)}

Etudier les variations de ff. Montrer que la dérivée seconde f′′f'' s'annule une, et une seule, fois sur l'intervale [0 ; π2] \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right].

Correction
La fonction ff est définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)=1α+βcos⁡2(x)f(x) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(x)}
On constate alors qu'elle est de classe C∞C^\infty sur R\mathbb{R} et qu'elle est paire.
La présence du terme cos⁡2(x)\cos^2(x) nous invite à vérifier sa périodicité. La présence du carré sur le cosinus nous laisse penser qu'elle peut-être de période π\pi. Vérifions ceci. Soit xx un réel. On a alors :
f(x+π)=1α+βcos⁡2(x+π)=1α+β(−cos⁡(x))2=1α+β(cos⁡(x))2=1α+βcos⁡2(x)=f(x)f(x +\pi) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(x+\pi)} = \dfrac{1}{\alpha + \beta \big(-\cos(x)\big)^2} = \dfrac{1}{\alpha + \beta \big(\cos(x)\big)^2} = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(x)} = f(x)
Ainsi, effectivement, ff est π−\pi-périodique. La conséquence de cette périodicité est qu'il est possible d'étudier les variations de ff sur l'intervalle d'amplitude π\pi, par exemple, [−π2 ; π2]\left[ -\dfrac{\pi}{2} \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right]. Puis, grace à sa parité, il est possible de réduire l'intervalle d'étude de moitié, à savoir étudier les variations de ff uniquement sur l'intervalle [0 ; π2]\left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right].
Donc :
∀x∈[0 ; π2],  f′(x)=−(α+βcos⁡2(x))′(α+βcos⁡2(x))2=−β(cos⁡2(x))′(α+βcos⁡2(x))2=−2cos⁡(x)β(cos⁡(x))′(α+βcos⁡2(x))2\forall x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right], \,\, f'(x) = - \dfrac{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2} = - \dfrac{\beta\left( \cos^2(x) \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2} = - \dfrac{2\cos(x)\beta\left( \cos(x) \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2}
Soit :
∀x∈[0 ; π2],  f′(x)=−2cos⁡(x)β(−sin⁡(x))(α+βcos⁡2(x))2=β2cos⁡(x)sin⁡(x)(α+βcos⁡2(x))2\forall x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right], \,\, f'(x) = - \dfrac{2\cos(x)\beta\left( -\sin(x) \right)}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2} = \dfrac{\beta 2\cos(x)\sin(x)}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2}
Mais comme 2cos⁡(x)sin⁡(x)=sin⁡(2x)2\cos(x)\sin(x) = \sin(2x), on en déduit que finalement :
Soit :
∀x∈[0 ; π2],  f′(x)=βsin⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))2\forall x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right], \,\, f'(x) = \dfrac{\beta \sin(2x)}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2}
Comme x∈[0 ; π2]x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right], cela nous permet d'en conclure que :
∀x∈[0 ; π2],  f′(x)⩾0\forall x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right], \,\, f'(x) \geqslant 0
Ainsi, sur l'intervalle [0 ; π2]\left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right] la fonction ff est croissante et évolue de f(0)=1α+βf(0) = \dfrac{1}{ \alpha + \beta} à f(π2)=1αf\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = \dfrac{1}{ \alpha}.
De plus, on a f′(0)=f′(π2)=0f'(0) = f'\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = 0, le théorème de RolleRolle nous assure de l'existance d'au moins un nombre réel cc tel que c∈]0 ; π2[c \in \left] 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right[ et (f′)′(c)=f′′(c)=0(f')'(c) = f''(c) = 0. Afin de savoir si le nombre réel cc est unique, étudions f′′f''. On a alors :
f′′(x)=(f′(x))′=(βsin⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))2)′=(βsin⁡(2x))′(α+βcos⁡2(x))2−βsin⁡(2x)((α+βcos⁡2(x))2)′(α+βcos⁡2(x))4f''(x) = \left( f'(x) \right)' = \left( \dfrac{\beta \sin(2x)}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2} \right)' = \dfrac{\left( \beta \sin(2x) \right)' \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2 - \beta \sin(2x) \left( \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2 \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^4}
Soit :
f′′(x)=2βcos⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))2−βsin⁡(2x)2(α+βcos⁡2(x))(α+βcos⁡2(x))′(α+βcos⁡2(x))4f''(x) = \dfrac{ 2\beta \cos(2x) \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^2 - \beta \sin(2x) 2\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right) \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^4}
En simplifiant par le terme α+βcos⁡2(x)\alpha + \beta \cos^2(x) on obtient :
f′′(x)=2βcos⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))−2βsin⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))′(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2\beta \cos(2x) \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right) - 2 \beta \sin(2x) \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)'}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Or, on sait que :
(α+βcos⁡2(x))′=−2βcos⁡(x)sin⁡(x)=−βsin⁡(2x)\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)' = -2\beta \cos(x) \sin(x) = -\beta \sin(2x)
Donc :
f′′(x)=2βcos⁡(2x)(α+βcos⁡2(x))+2β2sin⁡2(2x)(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2\beta \cos(2x) \left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right) + 2 \beta^2 \sin^2(2x) }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Soit encore :
f′′(x)=2βcos⁡(2x)(α+β(1+cos⁡(2x)2))+2β2(1−cos⁡2(2x))(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2\beta \cos(2x) \left( \alpha + \beta \left( \dfrac{1 + \cos(2x)}{2} \right) \right) + 2 \beta^2 \left( 1 - \cos^2(2x) \right)}{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
En développant :
f′′(x)=2αβcos⁡(2x)+2β2cos⁡(2x)(1+cos⁡(2x)2)+2β2−2β2cos⁡2(2x)(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2 \alpha \beta \cos(2x) + 2\beta^2 \cos(2x) \left( \dfrac{1 + \cos(2x)}{2} \right) + 2 \beta^2 - 2 \beta^2\cos^2(2x) }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Et encore :
f′′(x)=2αβcos⁡(2x)+β2cos⁡(2x)(1+cos⁡(2x))+2β2−2β2cos⁡2(2x)(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2 \alpha \beta \cos(2x) + \beta^2 \cos(2x) \left( 1 + \cos(2x) \right) + 2 \beta^2 - 2 \beta^2\cos^2(2x) }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
D'où :
f′′(x)=2αβcos⁡(2x)+β2cos⁡(2x)+β2cos⁡2(2x)+2β2−2β2cos⁡2(2x)(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ 2 \alpha \beta \cos(2x) + \beta^2 \cos(2x) + \beta^2 \cos^2(2x) + 2 \beta^2 - 2 \beta^2\cos^2(2x) }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Donc :
f′′(x)=(2αβ+β2)cos⁡(2x)+2β2−β2cos⁡2(2x)(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ \left( 2 \alpha \beta + \beta^2 \right) \cos(2x) + 2 \beta^2 - \beta^2 \cos^2(2x) }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Finalement :
f′′(x)=−β2cos⁡2(2x)+β(2α+β)cos⁡(2x)+2β2(α+βcos⁡2(x))3f''(x) = \dfrac{ - \beta^2\cos^2(2x) + \beta \left( 2 \alpha + \beta \right) \cos(2x) + 2 \beta^2 }{\left( \alpha + \beta \cos^2(x) \right)^3}
Etudions le signe du numérateur, noté NN, de f′′f''. Pour cela, posons X=cos⁡(2x)∈[−1 ; 1]X = \cos(2x) \in [-1 \,;\,1]. On a alors :
N(X)=−β2X2+β(2α+β)X+2β2N(X) = - \beta^2 X^2 + \beta \left( 2 \alpha + \beta \right) X + 2 \beta^2
Le discriminant Δ\Delta associé à ce trinôme est :
Δ=(β(2α+β))2−4(−β2)2β2=β2(2α+β)2+8β4=β2(8β2+(2α+β)2)\Delta = \left( \beta \left( 2 \alpha + \beta \right) \right)^2 - 4 \left( - \beta^2 \right) 2 \beta^2 = \beta^2 \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 + 8 \beta^4 = \beta^2 \left( 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 \right)
Par hypothèse, α\alpha et β\beta sont deux nombres réels strictement positifs, donc Δ>0\Delta >0. Ainsi le numérateur NN admet deux racines réelles distinctes que nous noterons X1X_1 et X2X_2. Leurs expressions sont :
{X1=−β(2α+β)+β2(8β2+(2α+β)2)−2β2X2=−β(2α+β)−β2(8β2+(2α+β)2)−2β2\left\lbrace \begin{array}{rcl} X_1 & = & \dfrac{-\beta \left( 2 \alpha + \beta \right) + \sqrt{\beta^2 \left( 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 \right)}}{-2\beta^2}\\ & & \\ X_2 & = & \dfrac{-\beta \left( 2 \alpha + \beta \right) - \sqrt{\beta^2 \left( 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 \right)}}{-2\beta^2} \\ \end{array} \right.
Soit :
{X1=−β(2α+β)+β8β2+(2α+β)2−2β2X2=−β(2α+β)−β8β2+(2α+β)2−2β2\left\lbrace \begin{array}{rcl} X_1 & = & \dfrac{-\beta \left( 2 \alpha + \beta \right) + \beta \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2}}{-2\beta^2}\\ & & \\ X_2 & = & \dfrac{-\beta \left( 2 \alpha + \beta \right) - \beta\sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 }}{-2\beta^2} \\ \end{array} \right.
Soit encore :
{X1=2α+β−8β2+(2α+β)22βX2=2α+β+8β2+(2α+β)22β\left\lbrace \begin{array}{rcl} X_1 & = & \dfrac{ 2 \alpha + \beta - \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2}}{2\beta}\\ & & \\ X_2 & = & \dfrac{ 2 \alpha + \beta + \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2 }}{2\beta} \\ \end{array} \right.
Donc, on constate que :
{X1<0X2>1\left\lbrace \begin{array}{rcl} X_1 & < & 0\\ & & \\ X_2 & > & 1 \\ \end{array} \right.
Or, on a poser X=cos⁡(2x)∈[−1 ; 1]X = \cos(2x) \in [-1 \,;\,1], et de fait X2X_2 est clairement impossible. Puis, on a :
X1−(−1)=X1+1=2α+β−8β2+(2α+β)22β+2β2β=2α+3β−8β2+(2α+β)22β>0X_1 -(-1) = X_1 + 1 = \dfrac{ 2 \alpha + \beta - \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2}}{2\beta} + \dfrac{2\beta}{2\beta} = \dfrac{ 2 \alpha + 3\beta - \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2}}{2\beta} >0
En effet, 2β>02\beta > 0, donc il suffit d'étudier le signe du numérateur. Raisonnons par l'absurde. Pour cela, supposons donc que 2α+3β−8β2+(2α+β)2<02 \alpha + 3\beta - \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2} < 0. Dans ce cas :
2α+3β<8β2+(2α+β)2    ⟹    (2α+3β)2<8β2+(2α+β)22 \alpha + 3\beta < \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2} \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, (2 \alpha + 3\beta)^2 < 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2
En développant :
4α2+12αβ+9β2<8β2+4α2+4αβ+β2    ⟺    8αβ<04 \alpha^2 + 12 \alpha \beta + 9\beta^2 < 8 \beta^2 + 4 \alpha^2 + 4 \alpha \beta + \beta^2 \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, 8 \alpha \beta < 0
Mais, par hypothese, α\alpha et β\beta sont deux nombres réels strictement positifs. Donc 8αβ8 \alpha \beta ne peut être qu'une quantité positive. Donc, le fait d'aboutir à l'inégalité 8αβ<08 \alpha \beta < 0 conduit à une contradiction (une absurdité). Ainsi, notre hypothèse initiale est fausse. On a donc :
2α+3β−8β2+(2α+β)2>0    ⟹    X1−(−1)>0    ⟹    X1>−12 \alpha + 3\beta - \sqrt{ 8 \beta^2 + \left( 2 \alpha + \beta \right)^2} > 0 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, X_1 -(-1) > 0 \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, X_1 > -1
Donc X1>−1X_1 > -1. On en déduit que −1<X1<0-1 < X_1 < 0 et donc que X1∈[−1 ; 1]X_1 \in [-1 \,;\, 1]. Ains le numérateur NN de f′′f'' ne s'annule qu'une seule fois.
Dit autrement, la dérivée seconde f′′f'' s'annule une, et une seule, fois sur l'intervale [0 ; π2] \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right].
Question 2

Soit FF la primitive de ff qui s'annule en 00. Déterminer lim⁡x⟶+∞F(x)\lim_{x \longrightarrow + \infty} F(x).

Correction
La fonction FF est définie par :
F(x)=∫0xf(t) dt=∫0x1α+βcos⁡2(t) dtF(x) = \int_0^x f(t) \, dt = \int_0^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt
Pour tout tt réel, on sait que :
−1⩽cos⁡(t)⩽1   ⟺   0⩽cos⁡2(t)⩽1   ⟺   0⩽βcos⁡2(t)⩽β   ⟺   α⩽α+βcos⁡2(t)⩽α+β-1 \leqslant \cos(t) \leqslant 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 \leqslant \cos^2(t) \leqslant 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 \leqslant \beta\cos^2(t) \leqslant \beta \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \alpha \leqslant \alpha + \beta\cos^2(t) \leqslant \alpha + \beta
Donc, on en déduit que :
1α⩾1α+βcos⁡2(t)⩾1α+β   ⟺   1α⩾f(t)⩾1α+β\dfrac{1}{\alpha} \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta\cos^2(t)} \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{\alpha} \geqslant f(t) \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta}
Soit xx un nombre réel strictement positif. Dans ce cas, on a :
∫0x1α dt⩾∫0xf(t) dt⩾∫0x1α+β dt   ⟺   1α∫0x1 dt⩾F(x)⩾1α+β∫0x1 dt\int_0^x \dfrac{1}{\alpha} \, dt \geqslant \int_0^x f(t) \, dt \geqslant \int_0^x \dfrac{1}{\alpha + \beta} \, dt \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{\alpha}\int_0^x 1 \, dt \geqslant F(x) \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta}\int_0^x 1 \, dt
Soit, avec k1k_1 et k2k_2 deux constantes réelles :
1α[t+k1]0x⩾F(x)⩾1α+β[t+k2]0x   ⟺   1α(x+k1−0−k1)⩾F(x)⩾1α+β(x+k2−0−k2)\dfrac{1}{\alpha} \left[t+k_1\right]_0^x \geqslant F(x) \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta} \left[t+k_2\right]_0^x \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{\alpha} \left(x+k_1 - 0 - k_1\right) \geqslant F(x) \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta} \left(x+k_2 - 0 - k_2\right)
Donc :
1αx⩾F(x)⩾1α+βx\dfrac{1}{\alpha} x \geqslant F(x) \geqslant \dfrac{1}{\alpha + \beta} x
Par passage à la limite lorsque x⟶+∞x \longrightarrow + \infty, on constate que :
lim⁡x⟶+∞1αx=lim⁡x⟶+∞1α+βx=+∞\lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{\alpha} x = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{1}{\alpha + \beta} x = + \infty
Le théorème de l'encadrement nous permet de conclure que, finalement, on a :
lim⁡x⟶+∞F(x)=+∞\lim_{x \longrightarrow + \infty} F(x) = + \infty
Question 3

Exprimer FF sur [0 ; 2π] \left[ 0 \,;\, 2\pi \right].

Correction
On cherche à exprimer :
F(x)=∫0xf(t) dt=∫0x1α+βcos⁡2(t) dt        avec:x∈[0 ; 2π]F(x) = \int_0^x f(t) \, dt = \int_0^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt \,\,\,\,\,\,\,\, \mathrm{avec} : x \in [0 \,;\, 2\pi]
Commençons par chercher :
∫f(t) dt=∫1α+βcos⁡2(t) dt\int f(t) \, dt = \int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt
En calculant f(t+π)d(t+π)f(t+\pi) d(t+\pi), on constate que :
f(t+π)d(t+π)=1α+βcos⁡2(t+π)d(t+π)=1α+β(−cos⁡(t))2d(t+π)dtdt=1α+β(cos⁡(t))21dtf(t+\pi) d(t+\pi) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t+\pi)} d(t+\pi) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \big(-\cos(t)\big)^2} \dfrac{d(t+\pi)}{dt} dt = \dfrac{1}{\alpha + \beta \big(\cos(t)\big)^2} 1 dt
Soit :
f(t+π)d(t+π)=f(t) dtf(t+\pi) d(t+\pi) = f(t) \, dt
Par application des règles de BiocheBioche, on va poser le changement de variable u=tan⁡(t)u = \tan(t). Ainsi :
dudt=ddt(tan⁡(t))=1cos⁡2(t)   ⟹   du=1cos⁡2(t)dt   ⟹   dt=cos⁡2(t)du\dfrac{du}{dt} = \dfrac{d}{dt} \left( \tan(t) \right) = \dfrac{1}{\cos^2(t)} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, du = \dfrac{1}{\cos^2(t)} dt \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, dt = \cos^2(t) du
Puis :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=∫cos⁡2(t)α+βcos⁡2(t) du=∫1α+βcos⁡2(t)cos⁡2(t) du=∫1αcos⁡2(t)+βcos⁡2(t)cos⁡2(t) du\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \int \dfrac{\cos^2(t)}{\alpha + \beta \cos^2(t) } \, du = \int \dfrac{1}{\dfrac{\alpha + \beta \cos^2(t)}{\cos^2(t)} } \, du = \int \dfrac{1}{\dfrac{\alpha }{\cos^2(t)} + \dfrac{\beta \cos^2(t)}{\cos^2(t)}} \, du
Soit :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=∫1α(cos⁡2(t)+sin⁡2(t))cos⁡2(t)+β du=∫1α(cos⁡2(t)cos⁡2(t)+sin⁡2(t)cos⁡2(t))+β du\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \int \dfrac{1}{\dfrac{\alpha \big( \cos^2(t) + \sin^2(t) \big) }{\cos^2(t)} + \beta } \, du = \int \dfrac{1}{\alpha \left( \dfrac{\cos^2(t)}{\cos^2(t)} + \dfrac{\sin^2(t)}{\cos^2(t)} \right) + \beta } \, du
Donc :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=∫1α(1+tan⁡2(t))+β du=∫1α(1+u2)+β du=∫1αu2+α+β du\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \int \dfrac{1}{\alpha \left( 1 + \tan^2(t) \right) + \beta } \, du = \int \dfrac{1}{\alpha \left( 1 + u^2 \right) + \beta } \, du = \int \dfrac{1}{\alpha u^2 + \alpha + \beta } \, du
Soit encore :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α∫1(αu)2+α+β d(αu)=1α∫1(αu)2+(α+β)2 d(αu)\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha}}\int \dfrac{1}{\big(\sqrt{\alpha} u\big)^2 + \alpha + \beta } \, d\big(\sqrt{\alpha} u\big) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha}}\int\dfrac{1}{\big(\sqrt{\alpha} u\big)^2 + \big(\sqrt{\alpha + \beta}\big)^2 } \, d\big(\sqrt{\alpha} u\big)
Posons X=αuX = \sqrt{\alpha} u, dans ce cas, on obtient :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α∫1X2+(α+β)2 dX\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha}}\int\dfrac{1}{X^2 + \big(\sqrt{\alpha + \beta}\big)^2 } \, dX
Lorsque la nombre réel aa est strictement positif on a (avec K∈RK \in \mathbb{R}) :
∫1X2+a2 dX=1aarctan⁡(Xa)+K\int \dfrac{1}{X^2 + a^2} \, dX = \dfrac{1}{a} \arctan\left( \dfrac{X}{a} \right) + K
Donc, comme α+β>0\sqrt{\alpha + \beta} > 0, on en déduit que :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α∫1X2+(α+β)2 dX=1α1α+βarctan⁡(Xα+β)+K\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha}}\int\dfrac{1}{X^2 + \big(\sqrt{\alpha + \beta}\big)^2 } \, dX = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha}} \dfrac{1}{\sqrt{\alpha + \beta}} \arctan\left( \dfrac{X}{\sqrt{\alpha + \beta}} \right) + K
Comme X=αuX = \sqrt{\alpha} u, on a alors :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α(α+β)arctan⁡(αuα+β)+K\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \dfrac{\sqrt{\alpha} u}{\sqrt{\alpha + \beta}} \right) + K
Mais, nous avion initialement posé u=tan⁡(t)u = \tan(t), donc :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α(α+β)arctan⁡(αtan⁡(t)α+β)+K\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \dfrac{\sqrt{\alpha} \tan(t)}{\sqrt{\alpha + \beta}} \right) + K
Que nous écrirons sous la forme équivalente :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(t))+K     (K∈R)\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(t)\right) + K \,\,\,\,\, \big( K \in \mathbb{R} \big)
Ainsi :
F(x)=∫0x1α+βcos⁡2(t) dt    (x∈[0 ; 2π])F(x) = \int_0^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt \,\,\,\, (x \in [0 \,;\, 2\pi])
La valeur π\pi est une valeur importante car tan⁡(π)=tan⁡(0)=0\tan(\pi) = \tan(0) = 0, et que arctan⁡(0)=0\arctan(0) = 0. On a alors :
F(x=π)=∫0π1α+βcos⁡2(t) dtF(x= \pi) = \int_0^\pi \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt
La fonction f:t⟼f(t)=1α+βcos⁡2(t)f : t \longmapsto f(t) = \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} admet un axe de symétrie en t=π2t= \dfrac{\pi}{2} car f(π2−t)=f(π2+t)f\left( \dfrac{\pi}{2} - t \right) = f\left( \dfrac{\pi}{2} + t \right). En effet, on sait que cos⁡(π2−t)=−cos⁡(π2+t)\cos\left( \dfrac{\pi}{2} - t \right) = - \cos\left( \dfrac{\pi}{2} + t \right) et donc cos⁡2(π2−t)=cos⁡2(π2+t)\cos^2\left( \dfrac{\pi}{2} - t \right) = \cos^2\left( \dfrac{\pi}{2} + t \right) et de fait on a automatiquement f(π2−t)=f(π2+t)f\left( \dfrac{\pi}{2} - t \right) = f\left( \dfrac{\pi}{2} + t \right). Ainsi, on en déduit que :
F(x=π)=∫0π1α+βcos⁡2(t) dt=2∫0π21α+βcos⁡2(t) dt=2F(π2)F(x = \pi) = \int_0^\pi \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = 2 \int_0^\frac{\pi}{2} \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = 2 F\left( \dfrac{\pi}{2} \right)
Donc, pour x⩾π{\color{blue}{x \geqslant \pi}}, écrivons que :
F(x)=∫0x1α+βcos⁡2(t) dt=∫0π1α+βcos⁡2(t) dt+∫πx1α+βcos⁡2(t) dt=F(π)+∫πx1α+βcos⁡2(t) dtF(x) = \int_0^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \int_0^\pi \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt + \int_\pi^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = F(\pi) + \int_\pi^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt
Soit :
F(x)=2F(π2)+∫πx1α+βcos⁡2(t) dtF(x) = 2 F\left( \dfrac{\pi}{2} \right)+\int_\pi^x \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt
Nous allons ramener, dans cette dernière intégrale, la borne inférieure à zéro. Pour cela, posons u=t−πu = t - \pi. Dans ce cas on a :
dudt=ddt(t−π)=1   ⟹   du=dt\dfrac{du}{dt} = \dfrac{d}{dt} \big( t - \pi \big) = 1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, du = dt
Puis, lorsque t=πt = \pi on u=0u=0, ensuite lorsque t=xt = x on u=x−πu=x - \pi. Donc :
F(x)=2F(π2)+∫0x−π1α+βcos⁡2(t) duF(x) = 2 F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) + \int_0^{x-\pi} \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, du
De fait, cela nous donne :
F(x)=2F(π2)+F(x−π)F(x) = 2 F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) + F(x-\pi)
Et donc FF est π−\pi-périodique. Il nous suffit d'exprimer FF sur l'intervalle [0 ; π][0 \,;\, \pi]. C'est donc la présence du terme tan⁡(t)\tan(t) qui va nous guider selon l'expression trouvée précédemment :
∫1α+βcos⁡2(t) dt=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(t))+K     (K∈R)\int \dfrac{1}{\alpha + \beta \cos^2(t)} \, dt = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(t)\right) + K \,\,\,\,\, \big( K \in \mathbb{R} \big)
∙  Si  x∈[0 ; π2[alors:{\color{blue}{\bullet \,\, Si \,\, x \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right[ alors :}}
F(x)=[1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(t))+K]0xF(x) = \left[ \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(t)\right) + K \right]_0^x
Soit :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))+K−1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(0))−KF(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) + K - \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(0)\right) - K
Soit encore :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))−1α(α+β)arctan⁡(αα+β×0)F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) - \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \times 0\right)
D'où :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))−1α(α+β)arctan⁡(0)F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) - \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left(0\right)
Donc :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))−0F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) - 0
Finalement :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right)
∙∙  Si  x=π2  alors:{\color{blue}{\bullet \bullet \,\, Si \,\, x = \dfrac{\pi}{2} \,\, alors :}}
On peut écrire :
F(π2)=lim⁡x⟶π2F(x)=lim⁡x⟶π21α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = \lim_{x \longrightarrow \frac{\pi}{2}} F(x) = \lim_{x \longrightarrow \frac{\pi}{2}} \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right)
Dans ce cas tan⁡(x)⟶+∞\tan(x) \longrightarrow + \infty et de fait arctan⁡(αα+βtan⁡(x))⟶π2\arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) \longrightarrow \dfrac{\pi}{2}. Ce qui nous permet d'écrire que :
F(π2)=lim⁡x⟶π2F(x)=1α(α+β)π2F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = \lim_{x \longrightarrow \frac{\pi}{2}} F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \dfrac{\pi}{2}
Finalement, on obtient :
F(π2)=π2α(α+β)F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
On en déduit immédiatement que :
F(π)=2F(π2)=2π2α(α+β)=πα(α+β)F\left( \pi \right) = 2F\left( \dfrac{\pi}{2} \right) = 2\dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
∙∙∙  Si  x∈]π2 ; π[alors:{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \,\, Si \,\, x \in \left] \dfrac{\pi}{2} \,;\, \pi \right[ alors :}}
Dans ce cas on a :
F(x)=[1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(t))+K]x⟶π2xF(x) = \left[ \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(t)\right) + K \right]_{x \longrightarrow \frac{\pi}{2}}^x
Soit :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))+K−π2α(α+β)F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) + K - \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
Lorsque x⟶πx \longrightarrow \pi on sait que F(x)⟶F(π)=πα(α+β)F(x) \longrightarrow F(\pi) = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}. Donc :
πα(α+β)=1α(α+β)lim⁡x⟶πarctan⁡(αα+βtan⁡(x))+K−π2α(α+β)\dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \lim_{x \longrightarrow \pi} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) + K - \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
Or, lorsque x⟶πx \longrightarrow \pi on a tan⁡(x)⟶0\tan(x) \longrightarrow 0 et de fait arctan⁡(αα+βtan⁡(x))⟶0\arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) \longrightarrow 0. Donc on a :
πα(α+β)=1α(α+β)×0+K−π2α(α+β)\dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \times 0 + K - \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
Ce qui nous donne :
πα(α+β)=0+K−π2α(α+β)\dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} = 0 + K - \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
Soit :
K=πα(α+β)+π2α(α+β)=3π2α(α+β)K = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} + \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} = \dfrac{3\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
On a alors :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))+3π2α(α+β)−π2α(α+β)F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) + \dfrac{3\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} - \dfrac{\pi}{2\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
Finalement :
F(x)=1α(α+β)arctan⁡(αα+βtan⁡(x))+πα(α+β)F(x) = \dfrac{1}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} \arctan\left( \sqrt{\dfrac{\alpha }{\alpha + \beta}} \tan(x)\right) + \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
On rappelle que :
∙∙∙∙  Si  x=π  alors:{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \bullet \,\, Si \,\, x = \pi \,\, alors :}}
F(π)=πα(α+β)F\left( \pi \right) = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
∙∙∙∙∙  Si  π<x<2π  alors:{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\, Si \,\, \pi < x < 2\pi \,\, alors :}}
F(x)=πα(α+β)+F(π−x)F(x) = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}} + F(\pi - x)
∙∙∙∙∙∙  Si  x=2π  alors:{\color{blue}{\bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \bullet \,\, Si \,\, x = 2\pi \,\, alors :}}
D'après l'étude on a :
F(2π)=2F(π)=2πα(α+β)F\left( 2\pi \right) = 2F\left( \pi \right) = \dfrac{2\pi}{\sqrt{\alpha(\alpha + \beta)}}
♣ Remarque:  Cas  α=1  et  β=3{\color{red}{\bf{ \clubsuit \, Remarque :}} \,\, Cas \,\, \alpha =1 \,\, et \,\, \beta = 3 }
Dans ce cas on a :
F(x)=∫0x11+3cos⁡2(t) dt    (x∈[0 ; 2π])F(x) = \int_0^x \dfrac{1}{1 + 3 \cos^2(t)} \, dt \,\,\,\, (x \in [0 \,;\, 2\pi])
Avec :
F(π)=π2F\left( \pi \right) = \dfrac{\pi}{2}.
Et aussi :
F(π)=πF\left( \pi \right) = \pi.
Graphiquement, ceci se vérifie parfaitement. Voici la courbe représentative de FF sur l'intervalle [0 ; 2π][0 \,;\, 2\pi] :
Question 4

Calculer I=∫02π149−45sin⁡2(x) dxI= \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{49 - 45 \sin^2(x)} \, dx.

Correction
On a :
I=∫02π149−45sin⁡2(x) dx=∫02π149−45(1−cos⁡2(x)) dx=∫02π149−45+45cos⁡2(x) dxI = \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{49 - 45 \sin^2(x)} \, dx = \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{49 - 45 \big( 1 - \cos^2(x) \big)} \, dx = \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{49 - 45 + 45\cos^2(x)} \, dx
Donc :
I=∫02π14+45cos⁡2(x) dxI = \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{4 + 45\cos^2(x)} \, dx
Il s'agit de la fonction FF pour x=2πx = 2\pi, avec α=4\alpha = 4 et β=45\beta = 45. Donc :
I=2π4×(4+45)=2π4×49=2π4×49=2π2×7I = \dfrac{2\pi}{\sqrt{4 \times (4 + 45)}} = \dfrac{2\pi}{\sqrt{4\times 49}} = \dfrac{2\pi}{\sqrt{4} \times \sqrt{49}} = \dfrac{2\pi}{2 \times 7}
Finalement :
I=2π4×(4+45)=π7  u.a.≃0,45  u.a.I = \dfrac{2\pi}{\sqrt{4 \times (4 + 45)}} = \dfrac{\pi}{7} \,\, u.a. \simeq 0,45 \,\, u.a.
A l'aide d'un logiciel de calcul formel, on trouve que :

Ce qui est en parfait accord avec nos résultats issus de l'étude générale conduite dans ce problème.

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