Jour no1 Exercice 1.0 Exercice 1.1 Exercice 1.2

Transcription

1 Jour n o Exercice. ) Étudier l intégrbilité de x e x x2 sur ], + [. 2) Étudier l intégrbilité de x ln x x 2 + sur ], + [. Exercice. Soit f de clsse C 2 sur [, + [ telle que f est intégrble sur [, + [ et telle que l intégrle f(t) soit convergente. ) Montrer que lim x + f (x) = et lim f(x) =. x + 2) Étudier les séries f (n) et f(n). n n Exercice.2 Soit A =( i,j ) M n (C) (n 3) telle que, pour tout k [[,n]], k,n k+ =, les utres termes étnt égux à, et soit J l mtrice crrée d ordre n dont tous les coefficients sont égux à. ) Montrer qu il existe b et c tels que A 2 = bi n + cj. 2) Exprimer A 4 en fonction de I n et J. 3) A est-elle digonlisble? 4) QS Déterminer les éléments propres de A. Jour n o 9

2 Exercice. Bnque publique - Énoncé ) Étudier l intégrbilité de x e x x2 sur ], + [. 2) Étudier l intégrbilité de x ln x x 2 + sur ], + [. Anlyse strtégique de l énoncé Il s git d un exercice fcile consistnt à étudier l intégrbilité d une fonction sur un intervlle. Si nous vons choisi de corriger ces deux exercices qui font prtie de l bnque d exercices publiée sur Internet, c est prce qu ils permettent d illustrer les méthodes les plus utilisées pour étudier l existence d une intégrle. Et il y ur de toutes fçons de nombreuses utres intégrles impropres dns cet ouvrge! En premier lieu, il fut fire ttention u vocbulire employé pr l énoncé : dire que «f est intégrble sur I» signifie que l intégrle f est bsolument convergente, I c est-à-dire que l intégrle f converge. Il s git donc d une notion plus forte que I l simple convergence de f. Cel peut prfois poser problème dns le cs où le I signe de f vrie, mis ce n est ps le cs ici. Les méthodes de bse pour étudier l convergence d une intégrle sont souvent les mêmes, et sont exposées en détil dns le formulire qui suit. Si vous vez des difficultés pour résoudre ce genre d exercices, nous vous conseillons d essyer de suivre le pln donné fin d voir des repères et des idées sur l démrche à suivre. Il est vriment indispensble de svoir prouver l existence d une intégrle impropre ; c est l une des questions les plus courntes en nlyse, et on l rencontre dns de nombreuses situtions. Avec un peu d entrînement, vous devriez svoir résoudre ce type d exercices en quelques minutes. Corrigé ) Soit f : x e x x2 pour x>. On commence déjà pr remrquer que f est définie et continue sur ], + [ : en effet, x 2 est strictement positif sur cet intervlle, ce qui permet d ssurer l existence de f(x), et l continuité résulte des théorèmes usuels (plus précisément : x x 2 est continue en tnt que fonction polynôme, puis x x 2 l est en tnt que composée de fonctions continues, et enfin f est continue comme quotient de deux telles fonctions). Commencer l étude d une intégrle impropre en se précipitnt sur l étude ux bornes sns voir uprvnt étudié le domine de définition et l continuité de l fonction à intégrer est une fute grve! 2 Jour n o

3 Rpport du jury 2 Pour étudier l existence de f, le réflexe générl est de fire une étude générle en et en b en délissnt le plus souvent l régulrité de f.cel conduit certins cndidts à intégrer sns sourciller t entre zéro et t deux. f étnt continue sur ], + [, les problèmes d intégrbilité ne se posent donc qu u voisinge de + et de +. Notons ussi que f est à vleurs positives, donc étudier son intégrbilité équivut à démontrer l convergence de Au voisinge de + f(x)dx. On commence pr exminer l fonction pour se «débrrsser» des prties qui ne posent ps de problème. Ici, lim x e x = e donc on f(x) x + e x2. Or, pour x>, x 2 = (x )(x +)= x x +. Là encore, l expression x + ne pose ps de problème u voisinge de puisque e lim x += 2, et l on finlement : f(x) x x. + 2 x Or, l fonction x = est intégrble u voisinge de + :son x (x ) 2 intégrle est une intégrle de Riemnn, de même nture que celle de x u voisinge de +, donc convergente ( 2 < ). Puisqu il s git d une fonction positive (critère à ne ps oublier!), les théorèmes de comprison (ici, l utilistion de fonctions équivlentes) ssurent que f est ussi intégrble u voisinge de +. Au voisinge de + Là encore, on exmine l fonction, pour remrquer que le terme le plus importnt ici est e x. Cel suggère d utiliser une comprison vec une fonction de Riemnn. e Plus précisément, f(x) x + x donc lim x x + x2 f(x) = lim x + xe x =. Ainsi, ( ) f(x) = o ; puisque x est positive et intégrble u voisinge de x + x 2 x2 +, il en est de même de f. (Un utre rgument possible consiste à dire que f(x) = o(e x ), et d utiliser lors + l comprison vec l fonction x e x, qui fit ussi prtie des fonctions de référence). En rssemblnt les deux cs, on obtient : f est intégrble sur ], + [. x 2 Jour n o 2

4 2) Notons ici f : x ln x pour x>. x 2 + L existence et l continuité de f sur ], + [ ne posent ps de problème (mis, rppelons-le, il ne fut ps oublier ce point!). Les problèmes d intégrbilité ne se posent donc qu u voisinge de + et de +. Notons ussi que f est de signe constnt u voisinge de + et u voisinge de +, donc étudier son intégrbilité équivut à démontrer l convergence de Au voisinge de + f(x)dx. Comme dns l question précédente, on exmine d bord l fonction pour voir ce qui est importnt u voisinge de +.Ici,onimméditementf(x) ln x ; x + puisque l fonction ln est intégrble u voisinge de + (intégrle de référence) et qu elle y est de signe constnt, les théorèmes de comprison ssurent que f est ussi intégrble u voisinge de +. Au voisinge de + ln x Là encore, on simplifie un peu le problème en remrqunt que f(x) x + x. 2 Il s git là d une intégrle de Bertrnd, dont l étude est clssique, et dont le principe générl est indiqué dns le formulire. L étude de l intégrbilité de cette fonction consiste à l comprer en + à une fonction de l forme x x vec >. Or ln x x f(x) +, donc si l on choisit x2 pr exemple = 3 (ou plus générlemen quelconque dns ], 2[), on ur, 2 d près les croissnces comprées, lim x 3 2 f(x) =. x + ( ) Donc f(x) = o ; puisque x est positive et intégrble u voisinge x + x 3 2 x 3 2 de +, il en est de même de f. En rssemblnt les deux cs, on obtient : f est intégrble sur ], + [. Techniques à mémoriser Il fut se souvenir de l démrche à suivre pour étudier une intégrle impropre, et des méthodes qui ont été utilisées dns les exercices ci-dessus, cr elles sont représenttives de celles utilisées dns l grnde mjorité des cs. En prticulier, il est très importnt lors de l étude d une fonction en un point d rriver à déterminer l «prtie» de l fonction qui est prépondérnte. 22 Jour n o

5 Formulire Étude d une intégrle impropre Pln générl On expose ci-dessous un pln générl, qui estévidemmentàdpteràchquecs. Pour exposer ce pln, on se plcer dns le cdre suivnt : f est une fonction définie sur un intervlle [,b[, vec <<b +, àvleursdnsr. Vous dpterez sns difficulté l méthode u cs d une fonction définie sur un intervlle ],b] vec <b<+. Dns le cs d une fonction définie sur un intervlle ouvert ],b[, rppelons que f est dite convergente si et ],b[ seulement si pour tout/un c ],b[, les deux intégrles f et f le sont ; le problème se rmène donc lors ux précédents.. Vérifier que f est bien continue pr morceux sur [,b[, en prticulier que f(t) est bien défini pour tout t [,b[. Ainsi, pour tout c [,b[, l intégrle c f existe et, pour l suite, on peut se contenter d exminer le comportement de f u voisinge immédit de b. 2. Dns le cs où l on connît une primitive F de f (ce qui est loin d être toujours le cs), il suffit d exminer si limite (finie) en b. x ],c] [c,b[ f(t) = F (x) F () possède une 3. Dns le cs où l intervlle [,b[ est borné (c est-à-dire b fini), on peut prfois utiliser le résultt suivnt : Sif est bornée sur [,b[, elle y est intégrble. Sif dmet une limite finie en b, elle est intégrble (ce cs est un cs prticulier du précédent). L intégrle est lors dite fussement impropre. 4. Dns le cs générl, le signe de f u voisinge de b joue un rôle importnt : Cs n o : f un signe constnt u voisinge de b. Quitte à remplcer f pr f, on supposer ici f positive u voisinge de b. Le principe de bse consiste à comprer f, u voisinge de b, à une fonction de référence, dont on connît l intégrbilité. On utilise pour cel l un des résultts suivnts : Si f gu voisinge de b et si g est intégrble u voisinge de b, il en est de même de f. Sif g uvoisinge de b et si l intégrle de g diverge, il en est de même de celle de f. Jour n o 23

6 Sif = o(g) ouf = O(g), et si g est positive intégrble u voisinge de b b b, il en est de même de f. Sif λg vec g positive et λ constnte non nulle, lors les intégrles b de f et de g u voisinge de b sont de même nture. L utilistion d équivlents est l méthode à lquelle il fut penser en premier (ne serit-ce que mentlement). Ce n est que lorsqu elle échoué que l on peut penser à utiliser les «o» ou les «O», et en tout dernier lieu une inéglité. L comprison l plus fréquemment utilisée est celle vec les intégrles de Riemnn ou, elle est détillée un peu plus loin. t Cs n o 2: f n ps un signe constnt u voisinge de b (oubienonne connît ps son signe). Ce cs est le plus difficile. Trois méthodes peuvent être utiles dns ce cs. On peut étudier l convergence bsolue de l intégrle, en vertu du résultt suivnt : si f(t) converge, lors l intégrle f(t) converge. On est insi rmené u cs précédent. f(t) Dns le cs d une intégrle de l forme vec >, une intégrtion pr prties en dérivnt t permet de fire pprître t des termes en +,vecici +>, ce qui, pr comprison à une t intégrle de Riemnn, peut permettre de conclure. On peut ussi utiliser un développement limité de f u voisinge de b pour essyer d écrire f(t) = g(t)+h(t) ; si les deux intégrles de g et t b de h convergent, il en ser de même de celle de f ; si l une des intégrles est convergente et l utre divergente, l intégrle de f ser divergente. En fit, dnsbeucoup de cs, il n est ps utile de connître ou de préciser d emblée le signe de f (suf si l on veut utiliser une inéglité). En effet : Sif λg,oùg est une fonction positive u voisinge de b et λ un réel non t b nul, le signe de f ser celui de λ u voisinge de b. Sif = o(g) ou f = O(g), oùg est positive et intégrble u voisinge t b t b de b, on en fit, en revennt à l définition, f(t) kg(t) u voisinge de b vec k constnte, et l intégrle de f ser directement bsolument convergente. Comprison vec une intégrle de Riemnn Soit à étudier f,oùf est continue pr morceux sur [,b[. On cherche à [,b[ comprer l intégrle de f à une intégrle de l forme fini, ou à une intégrle de l forme lorsque b est (b t) lorsque b =+ et >. 24 Jour n o

7 On supposer ici f à vleurs positives. L comprison à une intégrle de Riemnn est certinement l méthode l plus usitée, et l plus rpide, pour étudier une intégrle impropre. C est celle à lquelle (suf cs élémentires) il fut penser en premier. Si l on peut voir directement un équivlent de f de l forme précédente, c est fini ; on utilise lors directement l un des deux résultts suivnts. Lorsquebest fini, l intégrle est convergente si et seulement si (b t) <. Si>, l intégrle est convergente si et seulement si >. Sinon, l comprison à une intégrle de Riemnn se fit de fçon un peu plus subtile. Dns le cs où b est fini, on peut étudier lim t b (b t) f(t). S il existe <etl fini tels que lim t b (b t) f(t) =l, lors, u voisinge cste de b, f(t) ser mjoré pr,doncf ser intégrble u voisinge (b t) de b (comprison d intégrles de fonctions positives). S il existe > tel que lim t b (b t) f(t) =+, lors, u voisinge de b, cste b f(t) ser minoré pr, donc l intégrle f(t) ser divergente. (b t) Dns le cs b =+, on peut étudier lim t + t f(t). S il existe >etl fini tels que lim t + t f(t) =l, lors, u voisinge de +, f(t) ser mjoré pr cste,doncf ser intégrble u voisinge de + (comprison d intégrles de fonctions positives). S il existe < tel que lim t + t f(t) =+, lors, u voisinge de +, f(t) ser minoré pr cste, donc l intégrle f(t) ser divergente. L méthode exposée ci-dessus s utilise de préférence lorsqu pprît dns l expression de f des exponentielles ou des logrithmes, qu il est fcile de comprer à. Intégrles de Bertrnd Il s git d intégrles impropres de l forme (vec < < ) et ln t β + (vec >). (ln t) β Les résultts concernnt ces intégrles ne sont ps u progrmme mis l méthode d étude est instructive et mérite d être pprofondie. Cette méthode est l suivnte. Jour n o 25

8 Dns le cs =, on peut clculer une primitive de l fonction t ln t β t (cr de l forme u u β ) ; on pourr donc conclure en cherchnt les limites de cette primitive. Dns le cs, on étudie lim tγ ou lim t + β ln t t + tγ (selon l intégrle (ln t) β étudiée), vec γ réel compris strictement entre et ; selon les cs, cette limite est ou + (à l ide des résultts sur les croissnces comprées des fonctions puissnces et ln), et l on peut lors conclure en comprnt, comme il été expliqué + ci-dessus, vec l intégrle de Riemnn ou t γ t. γ Vous pouvez vous entrîner à cette méthode pour démontrer les résultts suivnts : Si <<: ln t converge si et seulement si [ <ou( =etβ>) ]. β Si >: (ln t) converge si et seulement si [ >ou( =etβ>) ]. β Rppelons que ce résultt est hors progrmme, et qu il fut svoir le redémontrer sur des cs prticuliers, comme cel été fit dns le deuxième des exercices précédents. Intégrles de référence Fonctions de Riemnn Il s git des fonctions t pour t>et R. t En utilisnt une primitive d une telle fonction, on obtient fcilement les résultts suivnts : converge si et seulement si >. converge si et seulement si <. Et plus générlement, si et b sont des réels tels que <b,lors: (t ) converge si et seulement si <. Exponentielle et logrithme ln t converge (et ln t = ). e t converge si et seulement si > (et dns ce cs e t = ). 26 Jour n o