Hervé Hocquard. Université de Bordeaux, France. 18 septembre 2013

Transcription

1 Intégrales généralisées Hervé Hocquard Université de Bordeaux, France 8 septembre 203

2 Introduction Notation On pose R=R {,+ }.

3 Introduction Notation On pose R=R {,+ }. Motivation Considérons la fonction f(x)= x définie sur l intervalle ]0,]. Pour tout δ ]0,], la fonction f est intégrable sur [δ,] ; de plus : lim f(x)dx = 2. δ 0 δ

4 Introduction Notation On pose R=R {,+ }. Motivation Considérons la fonction f(x)= x définie sur l intervalle ]0,]. Pour tout δ ]0,], la fonction f est intégrable sur [δ,] ; de plus : lim f(x)dx = 2. δ 0 δ Cela nous motive à définir f(x)dx = lim f(x)dx. δ 0 δ 0

5 Introduction Objectifs de ce cours Être capable de calculer une intégrale généralisée ou

6 Introduction Objectifs de ce cours Être capable de calculer une intégrale généralisée ou 2 Être capable de dire si une intégrale généralisée converge ou pas.

7 Fonctions localement intégrables Définition Soit f une fonction réelle définie sur un intervalle I. On dira que f est localement intégrable sur I si f est intégrable sur chaque intervalle fermé et borné [α,β] I.

8 Fonctions localement intégrables Définition Soit f une fonction réelle définie sur un intervalle I. On dira que f est localement intégrable sur I si f est intégrable sur chaque intervalle fermé et borné [α,β] I. Proposition Toute fonction continue sur un intervalle I est localement intégrable sur I.

9 Fonctions localement intégrables Définition Soit f une fonction réelle définie sur un intervalle I. On dira que f est localement intégrable sur I si f est intégrable sur chaque intervalle fermé et borné [α,β] I. Proposition Toute fonction continue sur un intervalle I est localement intégrable sur I. Proposition Toute fonction réelle et monotone sur un intervalle I est localement intégrable sur I.

10 Intégrale généralisée Définition Soit I un intervalle de R d extrémités a<b (a,b R) et soit c un réel tel que a<c < b. Soit f une fonction réelle localement intégrable sur I. Si les limites c β lim f(x)dx et lim f(x)dx α a α β b c sont finies, on dira que l intégrale généralisée on posera : b a b c β f(x)dx = lim f(x)dx+ lim f(x)dx α a α β b c a f converge et

11 Intégrale généralisée Exemple L intégrale généralisée + 0 e x dx converge et est égale à.

12 Intégrale généralisée Exemple L intégrale généralisée Preuve + 0 e x dx converge et est égale à. La fonction x e x est continue sur [0,+ [ et donc localement intégrable. Puisque N 0 e x dx = [ e x] N 0 = e N N + notre affirmation est bien démontrée.

13 Intégrale généralisée Exemple L intégrale généralisée + dx diverge. x

14 Intégrale généralisée Exemple L intégrale généralisée Preuve + dx diverge. x La fonction x x est continue sur [,+ [ et donc localement intégrable. Puisque N x dx =[ln x ]N notre affirmation est bien démontrée. = ln(n) N + +

15 Propriétés de l intégrale généralisée Théorème (Linéarité de l intégrale généralisée) Soient f,g : I R deux fonctions localement intégrables sur un intervalle I d extrémités a<b +. Si les intégrales généralisées b a f et b a g convergent alors, pour tout λ, µ R, l intégrale généralisée b a (λf + µg) converge et on a :

16 Propriétés de l intégrale généralisée Théorème (Linéarité de l intégrale généralisée) Soient f,g : I R deux fonctions localement intégrables sur un intervalle I d extrémités a<b +. Si les intégrales généralisées b a f et b a g convergent alors, pour tout λ, µ R, l intégrale généralisée b a (λf + µg) converge et on a : b a b b (λf + µg)=λ f + µ g. a a

17 Propriétés de l intégrale généralisée Théorème (Croissance de l intégrale généralisée) Soient f,g : I R deux fonctions localement intégrables sur un intervalle I d extrémités a<b +. Si les intégrales généralisées b a f et b a g convergent et f g alors on a :

18 Propriétés de l intégrale généralisée Théorème (Croissance de l intégrale généralisée) Soient f,g : I R deux fonctions localement intégrables sur un intervalle I d extrémités a<b +. Si les intégrales généralisées b a f et b a g convergent et f g alors on a : b a b f g. a

19 Exemples fondamentaux Proposition (Intégrale de Riemann) L intégrale généralisée + dx, α R x α converge si et seulement si α >.

20 Exemples fondamentaux Preuve Si α >, on a : N x α dx = ( ) N α α N + α

21 Exemples fondamentaux Preuve Si α >, on a : N x α dx = ( ) N α α N + α De la même formule on en déduit que si α <, on a : N lim dx =+. N + x α

22 Exemples fondamentaux Preuve Si α >, on a : N x α dx = ( ) N α α N + α De la même formule on en déduit que si α <, on a : Si α =, on a : N N lim dx =+. N + x α dx = ln(n) x α +. N +

23 Exemples fondamentaux Proposition (Intégrale de Riemann) L intégrale généralisée 0 dx, α R x α converge si et seulement si α <.

24 Exemples fondamentaux Preuve Si α <, on a : N x α dx = ( N α) α N 0 + α

25 Exemples fondamentaux Preuve Si α <, on a : N x α dx = ( N α) α N 0 + α De la même formule on en déduit que si α >, on a : lim dx =+. N 0 + N x α

26 Exemples fondamentaux Preuve Si α <, on a : N x α dx = ( N α) α N 0 + α De la même formule on en déduit que si α >, on a : Si α =, on a : N lim dx =+. N 0 + N x α dx = ln(n) x α +. N 0 +

27 Exemples fondamentaux Proposition Pour tout a >, l intégrale généralisée + a x ln α dx, α R x converge si et seulement si α >.

28 Exemples fondamentaux Preuve Pour α, une primitive de la fonction x x ln α est donnée x par la fonction x α ln α x et si α =, une primitive de la fonction x x lnx est donnée par la fonction x ln(lnx).

29 Exemples fondamentaux Preuve Pour α, une primitive de la fonction x x ln α est donnée x par la fonction x α ln α x et si α =, une primitive de la fonction x x lnx est donnée par la fonction x ln(lnx). À vous de jouer...

30 Exemples fondamentaux Proposition L intégrale généralisée + 0 r x dx, r > 0 converge si et seulement si r <. L intégrale diverge si et seulement si r.

31 Exemples fondamentaux Proposition L intégrale généralisée + 0 r x dx, r > 0 converge si et seulement si r <. L intégrale diverge si et seulement si r. Exemple L intégrale généralisée + 0 ( ) 2 x dx converge. 3

32 Critères de convergence pour les fonctions positives Notation Si f 0 et l intégrale généralisée b a f(x)dx ne converge pas alors on posera : b a f(x)dx =+.

33 Critères de convergence pour les fonctions positives Notation Si f 0 et l intégrale généralisée b a f(x)dx ne converge pas alors on posera : Théorème b a f(x)dx =+. Soient f, g deux fonctions positives et localement intégrables sur [a, b[. Supposons que f g Alors si l intégrale b a g converge alors l intégrale b a f converge aussi ; si l intégrale b a f diverge alors l intégrale b a g diverge aussi

34 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée + x 3 + 3x 2 dx converge. + x

35 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée Preuve À vous de jouer... + x 3 + 3x 2 dx converge. + x

36 Critères de convergence pour les fonctions positives Corollaire Soient f, g deux fonctions positives et localement intégrables sur [a,b[. Supposons que la limite f(x) lim x b g(x) x<b existe et est non nulle. Alors les intégrales généralisées b a f et g ont la même nature. b a

37 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée 0 e x x dx converge.

38 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée Preuve 0 e x x dx converge. Nous avons vu que l intégrale généralisée Or 0 x dx converge.

39 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée Preuve 0 e x x dx converge. Nous avons vu que l intégrale généralisée Or e x x = x 0 x dx converge.

40 Critères de convergence pour les fonctions positives Exemple L intégrale généralisée Preuve 0 e x x dx converge. Nous avons vu que l intégrale généralisée Or e x x = e x. x 0 x Le corollaire précédent nous permet de conclure que converge. 0 x dx converge. 0 e x x dx

41 Un autre critère de convergence Théorème Soit f une fonction continue et positive sur [a,+ [ telle que x α f(x) possède une limite finie l quand x tend vers +, alors : 2 + a + a f(x)dx diverge si et seulement si α et l>0. f(x)dx converge si et seulement si α > et l 0. 3 Sinon nous ne pouvons pas conclure sur la nature de l intégrale.

42 Un autre critère de convergence Théorème Soit f une fonction continue et positive sur [a,+ [ telle que x α f(x) possède une limite finie l quand x tend vers +, alors : 2 + a + a f(x)dx diverge si et seulement si α et l>0. f(x)dx converge si et seulement si α > et l 0. 3 Sinon nous ne pouvons pas conclure sur la nature de l intégrale. Exemples L intégrale généralisée L intégrale généralisée x 2 e x dx converge. x 3 + 3x 2 dx converge. + x

43 Méthodes de calcul : Intégration par primitive Théorème Soit f continue sur [a,b[, on pose F(x)= x a f(t)dt. Pour calculer F on applique les méthodes classiques de calcul d une intégrale. On calcule ensuite lim x b F(x).

44 Méthodes de calcul : Intégration par primitive Théorème Soit f continue sur [a,b[, on pose F(x)= x a f(t)dt. Pour calculer F on applique les méthodes classiques de calcul d une intégrale. On calcule ensuite lim x b F(x). Exemple + 0 e x dx =

45 Méthodes de calcul : Intégration par primitive Théorème Soit f continue sur [a,b[, on pose F(x)= x a f(t)dt. Pour calculer F on applique les méthodes classiques de calcul d une intégrale. On calcule ensuite lim x b F(x). Exemple + 0 e x dx = Remarque Soit F(x)= x a f(t)dt. Le domaine de définition de F est le domaine de continuité de f qui contient a.

46 Méthodes de calcul : Intégration par parties Théorème Soient u et v deux fonctions réelles de classe C sur un intervalle ]a, b[. Supposons que les limites L= lim f(x)g(x) et x a x>a M = lim f(x)g(x) x b x<b existent (finies). Alors les intégrales b a f(x)g (x)dx et b a f (x)g(x)dx sont de même nature ; quand elles convergent on a alors : b a b f(x)g (x)dx =(M L) f (x)g(x)dx a

47 Méthodes de calcul : Intégration par parties Exemple n N, + 0 x n e x dx = n!

48 Méthodes de calcul : Intégration par parties Exemple n N, Preuve À vous de jouer x n e x dx = n!

49 Méthodes de calcul : Intégration à l aide d un changement de variable La formule classique de changement de variables dans une intégrale classique s applique aussi aux intégrales généralisées :

50 Méthodes de calcul : Intégration à l aide d un changement de variable La formule classique de changement de variables dans une intégrale classique s applique aussi aux intégrales généralisées : Théorème Soient ϕ :]a,b[ ]α,β[ (a,b,α,β R) une application bijective de classe C. Si f est une fonction localement intégrable sur ]α,β[ alors la fonction (f ϕ)ϕ est aussi localement intégrable sur ]a,b[. Les intégrales généralisées β α f et b a (f ϕ)ϕ sont de même nature et si elles convergent on a : β α b f = (f ϕ)ϕ. a

51 Méthodes de calcul : un exemple...parmi d autres Exercice + Montrer que e 2 x2 dx converge (contre toute + attente... e 2 x2 dx = 2π). 2 Montrer que + avec µ R + et σ R +. 3 Calculer 4 Calculer + + e 2 + x2 dx = 2π x 2π e 2 x2 dx. x 2 ( e 2 + x2 dx 2π σ 2π e 2( x µ σ ) 2 dx x 2π e 2 x2 dx) 2.