f(t)dt = 0. On pose a = min f et b = max f x 2 dx = π. 2) En déduire un encadrement de π (meilleur que celui d'archimède).

Transcription

1 #4 Itégrale de Riema Khôlles - Classes prépa Thierry Sageaux, Lycée Gustave Eiel Exercice Soit f ue foctio cotiue sur [, ] telle que Motrer que f ab f(t)dt = O pose a = mi f et b = max f Exercice x ) Motrer que 4 ( x) 4 + x dx = ) E déduire u ecadremet de (meilleur que celui d'archimède) Exercice 3 (Cocours ATS - ) x dv Soit f(x) = pour x ], [ cos v ) a) Calculer f (x) Motrer que f est impaire et strictemet croissate lim dv = + et que f est bijective x si v b) Motrer que lim f(x) = x O ote g = f x ( ) g(y) ) a) Motrer que g (y) = cos Calculer g (y) b) Motrer que g(t) est solutio de X (t) + si(x(t)) = avec t, X() = et X () = a > pour ue valeur de a à préciser t du 3) Calculer h(t) = pour t ], [ u 4) Calculer l'itégrale de f et l'exprimer e termes simples Exercice 4 Soit f réelle cotiue sur [, ], telle que admet au mois deux zéros disticts das [, ] f(x) si xdx = f(x) cos xdx = Motrer que f Exercice 5 Desité des foctios e escalier Soit f : [a, b] R cotiue telle que pour toute foctio g : [a, b] R e escalier, Démotrer que f = Exercice 6 Chagemets de sige Soit f : [a, b] R cotiue o idetiquemet ulle, telle que : k {,,, }, f(t)g(t) dt = t k f(t) dt = Démotrer, par récurrece, que f chage au mois fois de sige sur ]a, b[ (raisoer par l'absurde) Exercice 7 Formule de la moyee gééralisée Soiet f, g : [a, b] R cotiues, f positive 4 septembre 5 Thierry Sageaux

2 ) Démotrer qu'il existe c [a, b] tel que f(t)g(t) dt = g(c) f(t) dt ) Si f e s'aule pas, motrer que c ]a, b[ x 3) Applicatio : Soit f cotiue au voisiage de Détermier lim x x tf(t) dt Exercice 8 Iégalité de Jese Soit f : [a, b] ( R cotiue et g : R R cotiue covexe ) b Démotrer que g f(t) dt g(f(t)) dt b a b a Exercice 9 + f Soit f : [, ] R cotiue positive O pose A = Motrer que + A Exercice Calcul de limite Chercher lim x + x t=x Exercice Calcul de limite cos t l( + t ) si t sh t Pour < a < b, détermiez lim x + + f (t) dt + A dt x x cos u u 3 du f(t) dt Exercice f + f Soit f : [a, b] [c, d] cotiue, bijective, strictemet croissate Calculer f(t) dt + d u=c Exercice 3 Sommes de Riema ) Trouver lim k ) Trouver lim 3) Trouver lim Itégrale de Riema f (u) du (faire u dessi, et commecer par le cas où f est de classe C ) pour k etier supérieur ou égal à xé ( ( ) ) + ( ) + + ( ) ( + )( + ) ( + ) 4) Trouver lim ( l + ) k= + cos(3k/) 5) Doer u équivalet pour de k k= 6) Soit A A A u polygoe régulier iscrit das u cercle de rayo Chercher lim Exercice 4 Calcul de limite Soit f : [, ] R cotiue Chercher lim Exercice 5 Moyee géométrique i<j ( i ( j f f ) ) A A k k= Thierry Sageaux

3 exp ( Soit f : [, ] R cotiue Motrer que f(t) dt + f( (O pourra utiliser : x, x x l x x) Exercice 6 ) Motrer que : x, x x l( + x) x ( ) ) Trouver lim + k + k= ) )( + f( Exercice 7 Maximum-miimum Soiet a, b R Étudier la covergece des suites (a ), (b ) déies par : a = a, b = b, a + = x= mi(x, b ) dx, b + = Itégrale de Riema ) ) (+ f( ) ) > x= max(x, a ) dx Exercice 8 Itégrale de l x e it Pour x R, x ±, o pose I = Exercice 9 Itégrale de f Soit f : [a, b] R cotiue Pour N, o pose I = Motrer que I > l x e it dt E utilisat les sommes de Riema, calculer I f(t) dt k= ak+ k f(t) dt où a k = a + k b a Exercice Usage de symétrie t si t Soit I = dt Eectuer das + cos I le chagemet de variable u = t, et e déduire la t valeur de I Exercice Usage de symétrie t Calculer I = + si t dt Exercice Usage de symétrie Calculer /4 l( + ta t) dt O remarquera que cos t + si t = cos ( 4 t ) Exercice 3 École de l'air 94 cos x / O ote I = cos x dx, J cos x / = cos x dx, K cos x = + cos x dx Motrer que pour tout N, o a I = J + ( ) K et I + = 4I I E déduire I e foctio de Exercice 4 Calcul d'itégrale Calculer pour tout N : I = Exercice 5 arcsi et arccos x= dx + cos (x) 3 Thierry Sageaux

4 Simplier si x arcsi t dt + cos x arccos t dt Exercice 6 Approximatio des rectagles pour ue foctio lipchitziee Soit f : [a, b] R K-lipchitziee Motrer que f(t) dt b a Exercice 7 Approximatio des tagetes Soit f : [a, b] R de classe C O xe N et o ote : a k = a + k b a Soit I = b a f(a ) k+ k= ) Doer ue iterprétatio géométrique de I b ) Motrer que f(t) dt I M (b a) 3 4 Exercice 8 Approximatio des trapèzes Soit f : [a, b] R de classe C f(a) + f(b) ) Motrer que f(t) dt = (b a) ) Applicatio : Soit f : [a, b] R, I = où M = sup f [a,b] + k= ( f (t a)(t b) f (t) dt Itégrale de Riema a + k b a ) K(b a), a k+ = a k + a k+ f(t) dt, et I la valeur approchée de I obteue par la méthode des trapèzes avec itervalles Démotrer que I I sup f (b a) 3 Exercice 9 Calcul de limite Étudiez la limite de la suite déie par u = k= ( + k) Exercice 3 Aire sous ue corde Soit f : [a, b] R de classe C telle que f(a) = f(b) = O pose M = f ) E majorat f par ue foctio ae par morceaux, démotrer que f(t) dt ) Quad y a-t-il égalité? (b a) M 4 Exercice 3 Échage de décimales Soit f : [, ] [, ] déie par f(, a a a 3 ) =, a a a 3 (échage des deux décimales) ères Motrer que f est cotiue par morceaux et calculer Exercice 3 f(t) cos(t) dt f(t) dt Soit f : [, ] R covexe de classe C Quel est le sige de I = Exercice 33 Covexité Soit f : R R covexe et g(x) = x+ t=x f(t) dt Motrer que g est covexe f(t) cos t dt? Exercice 34 Expressio d'ue primitive -ème de f x (x t) Soit f : [a, b] R cotiue et g(x) = f(t) dt Motrer que g () = f ( )! 4 Thierry Sageaux

5 Exercice 35 Thm de divisio Soit f : R R de classe C +p telle que f() = f () = = f ( ) () = O pose g(x) = f(x) x pour x et g() = f () ()! ) Écrire g(x) sous forme d'ue itégrale ) E déduire que g est de classe C p et g (p) (x) Itégrale de Riema p! (p + )! sup{ f (+p) (tx) tq t } Exercice 36 Foctio absolumet mootoe Soit f : [, a[ R de classe C telle que f et toutes ses dérivées sot positives sur [, a[ ) Motrer que la foctio g : x ) (f(x) x f() x ( )! f ( ) () est croissate ) O xe r ], a[ Motrer que la série de Taylor de f coverge vers f sur [, r[ Exercice 37 ème formule de la moyee Soiet f, g : [a, b] R cotiues, f positive décroissate x { M = sup{g(x), x [a, b]} O ote G(x) = g(t) dt, et m = if{g(x), x [a, b]} ) O suppose ici que f est de classe C Démotrer que mf(a) f(t)g(t) dt Mf(a) ) Démotrer la même iégalité si f est seulemet cotiue, e admettat qu'elle est limite uiforme de foctios de classe C décroissates c 3) Démotrer e qu'il existe c [a, b] tel que f(t)g(t) dt = f(a) g(t) dt Exercice 38 Iégalité de la moyee Soiet f, g : [a, b] R cotiues, f décroissate, et g O ote G(x) = a + Démotrer que fg(t) dt G(b) f(t) dt x g(t) dt Exercice 39 Ue iégalité Soit f : [a, b] R de classe C telle que f(a) = et t [a, b], f (t) Comparer ( b b f 3 (t) dt et f(t) dt) O itroduira les foctios : F (x) = Exercice 4 Itégrales de Wallis O ote I = / cos t dt / x f(t) dt, G(x) = x f 3 (t) dt, et H = F G ) Comparer I et si t dt [ ) E coupat, ] [ e [, α] et α, ], démotrer que I > 3) Chercher ue relatio de récurrece etre I et I + E déduire I k et I k+ e foctio de k 4) Démotrer que I I = 5) Démotrer que I I et e déduire u équivalet simple de I puis de C pour Exercice 4 Norme L Soit f : [a, b] R + cotiue O pose I = f (t) dt et u = I 5 Thierry Sageaux

6 Itégrale de Riema Soit M = max{f(x) tq a x b} et c [a, b] tel que f(c) = M ) Comparer M et u ) E utilisat la cotiuité de f e c, démotrer que : ε > il existe δ > tel que I δ(m ε) 3) E déduire lim u Exercice 4 Lemme de Lebesgue Soit f : [a, b] R cotiue Motrer que ) si f est de classe C ) si f est e escalier 3) si f est cotiue f(t) cos(t) dt >, Exercice 43 Plus grade foctio covexe miorat f ) Soit (f i ) ue famille de foctios covexes sur u itervalle I O suppose que : x I, f(x) = sup(f i (x)) existe Motrer que f est covexe ) Soit f : I R miorée Motrer qu'il existe ue plus grade foctio covexe miorat f O la ote f 3) Soit f : [, ] R + croissate Motrer que où f est e escalier) f(t)dt f(t)dt (commecer par le cas Exercice 44 Cetrale PC 998 Soit f : [a, b] R + cotiue ) Motrer qu'il existe ue subdivisio de [a, b] : a = x < x < < x = b telle que : k [, ], ) Étudier lim xk+ t=x k f(x k ) k= f(t) dt = f(t) dt Exercice 45 Mies MP Soit f : R C de classe C, périodique, e s'aulat pas Motrer que I(f) = i u etier Exercice 46 Foctios aes Soit E = C([a, b]), et F = {f C ([a, b]), tq f(a) = f (a) = f(b) = f (b) = } ) Soit f E Motrer qu'il existe g F vériat g = f si et seulemet si xf(x) dx = ) Soit f E telle que f f est f(x) dx = f(x)g (x) dx = pour toute foctio g F Motrer que f est ae Exercice 47 Mies MP Soit a < < b et f cotiue sur [, ], à valeurs das [a, b] telle que f = Motrer que f ab 6 Thierry Sageaux

7 Itégrale de Riema Solutios des exercices Exercice Il sut de développer (f(t) a)(b f(t)) Exercice ) O trouve x4 ( x) 4 + x = x 6 4x 5 + 5x 4 4x x ) O trouve d'abord u ecadremet x( x) 4, ce qui doe NB L'ecadremet d'archimède est Exercice 3 ( ) ) b) Utiliser u équivalet simple de cos u = si u au voisiage de 3) Faire ue DES ( v ) 4) Poser u = ta Exercice 7 3) f() Exercice DL de cos u lim = l(b/a) Exercice 3 ) l k ) 8 et utiliser cos(v) = u + u 3) 4 e 4) 3 dt 3 + cos t = dt + cos t = 3 5) 4 3 6) 4 Exercice ( 6 ) ) exp 4 Exercice 7 b si b < si a < a + = (b ) /4 si b b + = (a + ) /4 si a si b >, a si a > Doc a + = f(a ), b + = g(b ) Poit xe : a > 8 3, b > 3 8 Exercice 4 Exercice 7 Thierry Sageaux

8 u = t I = Exercice 3 I = 3 ( 3 ) + si t dt = / t= / dt = + cos t Itégrale de Riema Exercice 4 Couper e itervalles de k/ O obtiet I = pour tout Exercice 5 f est paire, -périodique f (x) = pour x f(x) = f(/4) = 4 Exercice 9 Comparaiso etre par parties, u > 3 8 Exercice 3 [ I = f (t)( + cos t) ] dt et so approximatio des trapèzes Découper et itégrer deux fois ( + t) + Exercice 36 ) formule de Taylor-itégrale f (t)( + cos t) dt Exercice 39 H = f(f f ) = fk et K = f( f ) doc H est croissate et positive Exercice 44 x ) Soit F (x) = f(t) dt et G = F Alors f(x k ) = k= / f (t) dt f(t) dt k= f G( k ) > Exercice 45 O a f = e g avec g de classe C g() g() par le thm de relèvemet d'où I(f) = Z i Exercice 46 ) Il existe toujours ue uique foctio g de classe C telle que g = f, g(a) = g (a) = : g(x) = x (x t)f(t) dt (Taylor-Itégral) ) Soiet λ, µ R tels que f : x f(x) λ µx vérie trouve (b a)λ + (b a )/µ = (b a )/λ + (b 3 a 3 )/3µ = b f (x) dx = f(x) dx xf(x) dx xf (x) dx = O et ce système a pour détermiat (b a) 4 / doc λ, µ existet et sot uiques Soit g F telle que g = f : et f(x) = λ + µx g (x)g (x) dx = pour tout g F, e particulier pour g = g doc g = f = 8 Thierry Sageaux

9 Itégrale de Riema Exercice 47 Soit g = f a O a g b a et f = g + a g + a ab g = a d'où g (b a) g = a(b a) et 9 Thierry Sageaux