Séries et intégrales généralisées - Approfondissement (2M261) Janvier-Juin 2015. Devoir Maison n o 1. ln 1 sh 1 sh t t sin(1/t 2 ) 1 +



Documents pareils
Exemples de résolutions d équations différentielles

TD/TP : Taux d un emprunt (méthode de Newton)

Fonction dont la variable est borne d intégration

Texte Ruine d une compagnie d assurance

Les circuits électriques en régime transitoire

F 2 = - T p K F T = - T p K 0 - K 0

MATHEMATIQUES FINANCIERES

2. Quelle est la valeur de la prime de l option américaine correspondante? Utilisez pour cela la technique dite de remontée de l arbre.

Caractéristiques des signaux électriques

Oscillations forcées en régime sinusoïdal.

CHAPITRE I : Cinématique du point matériel

Limites finies en un point

Calcul Stochastique 2 Annie Millet

Recueil d'exercices de logique séquentielle

Sommaire de la séquence 12

Développements limités, équivalents et calculs de limites

Rappels théoriques. -TP- Modulations digitales ASK - FSK. Première partie 1 INTRODUCTION

La rentabilité des investissements

VA(1+r) = C 1. VA = C 1 v 1

CHAPITRE 13. EXERCICES a) 20,32 ± 0,055 b) 97,75 ± 0,4535 c) 1953,125 ± 23, ±0,36π cm 3

TB 352 TB 352. Entrée 1. Entrée 2

3 POLITIQUE D'ÉPARGNE

CCP PSI Mathématiques 1 : un corrigé

Le mode de fonctionnement des régimes en annuités. Secrétariat général du Conseil d orientation des retraites

Cours d électrocinétique :

Continuité en un point

Séquence 2. Pourcentages. Sommaire

Mathématiques financières. Peter Tankov

Intégration de Net2 avec un système d alarme intrusion

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Relation entre la Volatilité Implicite et la Volatilité Réalisée.

CARACTERISTIQUES STATIQUES D'UN SYSTEME

Fonctions de plusieurs variables

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 2 L investissement. . Les principales caractéristiques de l investissement

Finance 1 Université d Evry Val d Essonne. Séance 2. Philippe PRIAULET

Thème : Electricité Fiche 5 : Dipôle RC et dipôle RL

Sciences Industrielles pour l Ingénieur

Documentation Technique de Référence Chapitre 8 Trames types Article

AMPLIFICATEUR OPERATIONNEL EN REGIME NON LINEAIRE

Filtrage optimal. par Mohamed NAJIM Professeur à l École nationale supérieure d électronique et de radioélectricité de Bordeaux (ENSERB)

THÈSE. Pour l obtention du grade de Docteur de l Université de Paris I Panthéon-Sorbonne Discipline : Sciences Économiques

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Les solutions solides et les diagrammes d équilibre binaires. sssp1. sssp1 ssss1 ssss2 ssss3 sssp2

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Développements limités. Notion de développement limité

Non-résonance entre les deux premières valeurs propres d un problème quasi-linéaire

Ned s Expat L assurance des Néerlandais en France

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Intégrales généralisées

Copules et dépendances : application pratique à la détermination du besoin en fonds propres d un assureur non vie

Dérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema.

Capes Première épreuve

Résolution d équations non linéaires

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

n N = u N u N+1 1 u pour u 1. f ( uv 1) v N+1 v N v t

Le mécanisme du multiplicateur (dit "multiplicateur keynésien") revisité

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Chapitre 7 : Intégration sur un intervalle quelconque

Article. «Les effets à long terme des fonds de pension» Pascal Belan, Philippe Michel et Bertrand Wigniolle

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

Développements limités usuels en 0

EFFICIENCE INFORMATIONNELLE DES UNE VERIFICATION ECONOMETRIQUE MARCHES DE L OR A PARIS ET A LONDRES, DE LA FORME FAIBLE

Image d un intervalle par une fonction continue

Dérivation : cours. Dérivation dans R

Estimation des matrices de trafics

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

I. Ensemble de définition d'une fonction

Annuités. I Définition : II Capitalisation : ( Valeur acquise par une suite d annuités constantes ) V n = a t

Correction du baccalauréat ES/L Métropole 20 juin 2014

Équations non linéaires

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

Calcul différentiel. Chapitre Différentiabilité

Files d attente (1) F. Sur - ENSMN. Introduction. 1 Introduction. Vocabulaire Caractéristiques Notations de Kendall Loi de Little.

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

Chapitre 11. Séries de Fourier. Nous supposons connues les formules donnant les coefficients de Fourier d une fonction 2 - périodique :

1S Modèles de rédaction Enoncés

I. Polynômes de Tchebychev

OBJECTIFS LES PLUS DE LA FORMATION

Logique. Plan du chapitre

Fonctions de deux variables. Mai 2011

NOMBRES COMPLEXES. Exercice 1 :

Continuité et dérivabilité d une fonction

Mathématiques I Section Architecture, EPFL

Leçon 01 Exercices d'entraînement

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

Seconde Généralités sur les fonctions Exercices. Notion de fonction.

Pouvoir de marché et transmission asymétrique des prix sur les marchés de produits vivriers au Bénin

Bien lire l énoncé 2 fois avant de continuer - Méthodes et/ou Explications Réponses. Antécédents d un nombre par une fonction

Intégrales dépendant d un paramètre

Exercice autour de densité, fonction de répatition, espérance et variance de variables quelconques.

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

Mécanique : Cinématique du point. Chapitre 1 : Position. Vitesse. Accélération

Transcription:

Universié Pierre e Marie Curie Licence de Mahéaiques Séries e inégrales généralisées - Approfondisseen (2M26) Janvier-Juin 25. Devoir Maison n o Exercice : Convergence e calcul d inégrales. Éudier la naure des inégrales suivanes (a) (b) ch cos 5/2 d ; ch cos (e d ; ) 5/2 (c) (d) 2. Monrer l exisence e calculer la valeur de ( ln sh sh sin(/ 2 ) ln( + ) ln d. ) d d ; (e) (Uiliser le fai que 2( ) es une priiive de /.) ln( + a ) b 3. Éudier la convergence de sin x x. (Considérer u n = nπ (n )π sin x x e uiliser l équivalen sin n x π/(2n).) n + d Exercice 2 : Foncion Bêa d Euler converge Déeriner l enseble des réels x, y els que l inégrale suivane B(x, y) = x ( ) y d Exercice 3 : Inégrales ellipiques. Monrer que les inégrales I(k) = ( x 2 )( k 2 x 2 ) Soi k ] ;[ un nobre réel. e J(k) = x 2 ( x 2 )( k 2 x 2 ) son convergenes. (Indicaion : rouver un changeen de variable convenable en reconnaissani().) 2. Dans cee quesion, on donne une inerpréaion géoérique des quaniés I(k) e J(k) quand k. Onfixe <b a deux réels e on considère l ellipse E d équaion x 2 a 2 + y2 b 2 =. Monrer que la longueur de E es 4a (I(k) k 2 J(k)) où k = b 2 /a 2 es l excenricié de E. 3. Monrer que la série enière π 2 ( ) 3 (2 ) 2 k 2 2 4 2 valable pour ou enier nau- converge e que sa soe vau I(k). (On pourra prouver e uiliser la forule sin d = π 2 rel pair.) 3 ( ) 2 4

Exercice 4 : Quelques quesions héoriques sur les foncions inégrables. Soi f :[, + [ R une foncion de classe C. (a) On suppose que f e f son inégrables sur [, + [. Monrerque li f(x) =. (b) On suppose ainenan que f 2 e f 2 son inégrables sur R +.Monrerquef ade une liie en + e la déeriner. 2. On considère cee fois une foncion f : R + R décroissane e inégrable sur R +. (a) Monrer que li f(x) =. (b) Monrer que li xf(x) =. (c) Donner un exeple de foncion coninue définie de R + dans R +,inégrablesurr + ais qui n ade pas de liie en +. 2

Quelques précisions e indicaions pour l exercice 3 du DM n o Quesion 2 Lorsque f es une foncion de classe C sur un inervalle I, alorspourousa, b I avec a b, la longueur de la courbe {(x, f(x)) x I} forée par le graphe de f enre les poins de coordonnées (a, f(a)) e (b, f(b)) es donnée par la forule L a,b (f) = b a +(f (x)) 2 En rearquan que l on peu donner l équaion de la parie de l ellipse dans le dei-plan supérieur {y } sous la fore y = f(x), rerouverlerésulaaendu. Quesion 3 Par définiion, on noe pour ou réel α e ou enier naurel ( ) α α (α ) (α +) =! Pour résoudre la quesion, on pourra déeriner, pour α R, lerayondeconvergencedelasérie ( ) α e onrer que cee série enière converge uniforéen sur les inervalles copacs de], [ vers la foncion P α : ( + ) α en calculan ( + x)s (x) pour x ] ;[,oùs es la soe de la série. On pourra ensuie appliquer ce résula aux foncions qui son inégrées pour définir I(k) e J(k). 3

Corrigé du Devoir Maison n o Correcion de l exercice. (a) La foncion f es coninue sur ]; + [ e On appelle f l inégrande des inégrales considérées. f() = + 2 /2 ( 2 /2) + o ( 2 ) 5/2 qui es inégrable en d après le crière de Rieann donc f converge. Puis on a ch + e /2 donc f() + e 5/2 /2 qui es d inégrale divergene donc f diverge e par suie R + f diverge. (b) La foncion f es coninue sur R +.Coee on a f() /2 qui es inégrable en e vu f() + e /(2e 5/2 ) = e 3/2 /2 inégrable en + on en dédui que R f + converge. (c) On a sh =(e e )/2 e sh () =ch =(e +e )/2 > pour ou réel e par suie sh es sriceen croissane sur R donc pour ou > on a sh /sh >. Ilenrésulequela foncion f es définie e coninue sur ] ; + [ e pour ou x> on a pour = x + sh =sh(x +)=shx ch + sh ch x sh sh = ch x +shx ch / sh = ch = x +x ch / sh + o (x) sh + x Cela onre que f() =ln ( ( ) ch ) sh + o ( ) =ln(ch/ sh + o ()) + ln( ) ce qui prouve que f es inégrable en. On a ensuie pour + ( f() =ln sh ) sh 2sh e sh sh ce qui éabli l inégrabilié de f en +. Finaleenl inégraleconverge. (d) La foncion f es coninue sur R +.Deplus f() ln( + ) o (x) x donc f() = O ( /2 ) ce qui onre l inégrabilié en. Puisl inégalié sin x x onre que f() 3/2 ln( + ) = o + ( 3/2 ) ce qui éabli l inégrabilié en + donc f es inégrable sur R +. (e) La foncion f : ln( + a ) b es coninue sur R + pour ou couple (a, b) R2.Plusieurs cas se présenen suivan les valeurs de a e b. Tou d abord éudions le coporeen en : si a> alors f() a b qui es inégrable si e seuleen si b a< (Rieann) ; si a =alors f() =ln2 b es inégrable si e seuleen si b< (Rieann) ; 4

si a< alors f() a b ln es inégrable si e seuleen si b< (inégrale de Berrand). Puis éudions le coporeen en + : si a> alors f() + a b ln qui es inégrable si e seuleen si b> (inégrale de Berrand) ; si a =alors f() =ln2 b es inégrable si e seuleen si b> (Rieann) ; si a< alors f() + a b es inégrable si e seuleen si b a> (Rieann). En conclusion l inégrale converge si e seuleen si +a<b< ou <b<a+. 2. La foncion f : ln /( ) es coninue sur ] ; [. Onaf() ln qui es inégrable. Puis f() donc f ade une liie finie à savoir en. Onendéduique f converge. La foncion G : x 2( x ) es une priiive de g : x / x de sore que pour ous <a b< on a b f = [ 2( ) ln ] b b a +2 d a Le C difféoorphise u : de ] ; [ dans lui-êe pere de faire le changeen de variable = u 2 pour fournir b a d = b u ( 2u du) = a u2 b a En faisan a e b on obien ln d =4(ln2 ) a 2u +u du =[2u 2ln(+u)] b a 3. Coe π<4, sin x pour ou x e que a a es décroissance sur ]; ], ona e par suie n x [(n )π; nπ] sin x x sin x 4n n u n nπ (n )π sin x 4n = π sin x 4n =2 sin x 4n L équivalen rappelé dans l énoncé onre alors que u n diverge. Or n k= u k = nπ sin x x pour ou n donc cela onre que l inégrale sin x x diverge. Correcion de l exercice 2 On fixe x, y > dans la suie ainsi que la foncion f : x ( ) y. Cee foncion es posiive e coninue sur l inervalle ], [. On a f() x e d après le crière de Rieann, la foncion de signe consan x es inégrable en si e seuleen si x > c es-à-dire x> de la êe anière f() ( ) y es inégrable en si e seuleen si y>. Si l on souhaie direceen onrer la divergence de B(x, y) pour x< par exeple on peu inorer de la façon suivane ε f()d /2 ε f()d (/2) y /2 Pour x =la priiive es ln donc la inoraion es ε ε x d =(/2) y x (2 x ε x ) ε f()d 2 y (ln(/2) ln ε) 5

Correcion de l exercice 3. Soi k ] ;[.OnnoequeI() es une fore connue. Si l on ne se rappelle pas de la priiive on peu, pour la calculer, uiliser le changeen de variable x =sinϕ. Cecinousdonnedefaçon forelle : x 2 =dϕ. Donc arcsin = x 2. L idée es claire ainenan ; on passe à la preuve. On peu uiliser le héorèe de changeen de variable : Soi X [ ; π/2[. Lafoncionsin es de classe C sur [ ; X]. Lehéorèedechangeendevariable peu donc êre appliqué e en posan x =sinϕ on a (noer que cos ϕ> pour ϕ [ ; X]) X arcsin X ( x 2 )( k 2 x 2 ) = dϕ k 2 sin 2 ϕ. Coe k 2 sin 2 ϕ k pour ϕ [,π/2], onendéduique/ k 2 sin 2 ϕ / k 2 de sore que la foncion θ : ϕ / k 2 sin 2 ϕ es coninue sur [ ; π/2] car k ], [ e donc θ es inégrable sur [ ; π/2] ce qui onre, en faisan X que l inégrale I(k) es convergene. 2. Le êe changeen de variable s applique pour J(k), ou alors on peu sipleen vérifier que x ] ; [ x 2 ( x 2 )( k 2 x 2 ) ( x 2 )( k 2 x 2 ) On en dédui la convergence de J(k) en uilisan la convergence de I(k). 3. On considère la foncion f :[ a, a] R, x b 2 (b/a) 2 x 2. Il es clair que la resricion de f à ] a, a[ es de classe C e que le graphe de f es la parie coprise dans le dei-plan y de E. Pourcalculerlalongueur,onuiliselaforuledonnanla longueur enre les de E d abscisses e s ],a[, Un calcul direc donne L(s) = = = L(s) = L(s) = +f (x) 2. a 4 (a 2 b 2 )x 2 a 2 (a 2 x 2 ) a 2 k 2 x 2 a 2 x 2 a 2 k 2 x 2 (a 2 x 2 )(a 2 k 2 x 2 ) a 2 k 2 x 2 a 2 ( x 2 /a 2 )( k 2 x 2 /a 2 ). On effecue le changeen de variable affine (e donc licie) az = x. Ilfourni a 2 k 2 x 2 a 2 ( x 2 /a 2 )( k 2 x 2 /a 2 ) = a 2 k 2 a 2 z 2 a 2 ( z 2 )( k 2 z 2 ) a dz.. il n y a pas de héorèe de changeen de variable pour les inégrales généralisées dans le cours, e en pariculier pas d arguen de C difféo : il fau se raener à un segen e faire endre les bornes d inégraion vers les bornes de l inégrale 6

D où : /a L(s) =a dz s/a ( z 2 )( k 2 z 2 ) ak2 Il sui, en faisan s a, quelalongueurdel ellipsees 4a ( I(k) k 2 J(k) ). z 2 ( z 2 )( k 2 z 2 ) dz. 4. Soi α R. Siα N alors ( α ) es nul pour >αe on rouve que la série converge pour ou réel e sa soe es la foncion polynôiale α ( α = ) =(+) α d après la forule du binôe de Newon. Mainenan si α R \ N on a ( α ) pour ou enier naurel e la règle de d Aleber fourni alors ( ) N α / ( ) α α = + + n + ce qui onre que la série a un rayon de convergence R =.SasoeS es de classe C sur ] ;[ e dérivable ere à ere à ou ordre sur ] R ; R[ en pariculier on a pour ou x ] ;[ ( + x)s (x) = = + = + = ( + x)s (x) =αs(x) [ ( α ( +) ) ( ] α x + )x + ( ) α (α + ) x Il en résule que S e P α vérifien la êe équaion différenielle y = αy/( + ) sur l inervalle ] ;[ avec la êe condiion iniiale y() =. Cesdeuxfoncionssondoncégalessur] ;[. Enfin, oue série enière convergean uniforéen sur ou inervalle feré inclus dans son disque de convergence, on en dédui la convergence unifore de la série vers P α sur les inervalles copacs de ] ;[. On écri ensuie I(k) = dϕ k 2 sin 2 ϕ. e on développe l inégrande en série enière. On sai que pour ou réel α la série ( α ) converge uniforéen sur les inervalles copacs de ], [ vers P α : ( + ) α.ilsuiquela série ϕ ( ) α ( k 2 sin 2 ϕ) converge uniforéen vers ϕ ( k 2 sin 2 ϕ) /2 sur [,π/2]. Onpeudoncappliquerlehéorèe du cours e inerverir les syboles Σ e pour obenir Mainenan, on prouve la forule ( k 2 sin 2 ϕ ) /2 + ( /2 π/2 dϕ = )( k 2 ) sin 2 ϕ dϕ. = sin 2 d = π 2 3 (2 ) 2 4 2 7

Une inégraion par paries (les foncions en jeu son de classe C sur l inervalle [,π/2]) onre que pour ou I 2 = sin 2 d = sin 2 2 ( cos 2 )d [ = I 2 2 cos sin2 2 I 2 = I 2 2 2 I 2 ] π/2 2 sin sin 2 d On en dédui que I 2 =(2 )/(2)I 2 2.Laforulerésulealorsd unerécurrenceiédiae car sin d = π/2. Mais pour ou enier naurel, ( ) /2 Par conséquen, I(k) = π 2 Correcion de l exercice 4 ( ) /2 + = =( ) /2 +/2 +/2 =( ) 2 2+ 2 2( ) 2 3 (2 ) =( ) 2 4 2. ( 3 (2 ) 2 4 2. Soi f :[, + [ R une foncion de classe C. ) 2 k 2 = π 2 + = ( ) (2)! 2 2 2 (!) 2 k 2 (a) Puisque f es de classe C le héorèe fondaenal du calcul inégral pere d écrire : x [, + [ f(x) f() = f ()d. Or f es inégrable sur [, + [ donc x f converge en + e par conséquen f aussi, avec plus pariculièreen li f(x) =f() + f R + Coe f es inégrable en +, la liie ne peu êre que (cours). (b) L inégalié ab (a 2 + b 2 )/2 valable pour ous réels a, b e appliquée à f e f onre que la foncion ff es inégrable sur [, + [. Deplus x R + 2f()f ()d = f 2 (x). Donc, f 2 converge (vers 2 R + ff )en+. Coelafoncionf 2 es inégrable, cee liie ne peu êre que nulle. 2. On considère cee fois une foncion f :[, + [ R décroissane e inégrable sur [, + [ (en pariculier coninue par orceaux...). (a) Puisque f es décroissane on a : x R + x f()d f(x) + x f()d. 8

Or, + x f()d = + f()d f()d. Coe on sai que l inégrale de f sur [, + [ converge, il s ensui que De êe, Par encadreen, + x f()d x f()d f()d. li f(x) =. f()d =. Rearque : On aurai aussi peu dire que, par décroissance, f ade une liie. Son inégrabilié oblige cee liie à êre finie e nulle. (b) Puisque la foncion f décroi vers, elle es posiive.de plus, On en dédui ainsi que x 2 f(x) x/2 li xf(x) =. f()d. (c) On consrui une foncion f définie sur [, + [, posiive,inégrable e qui n ade pas de liie. Soi f définie par les condiions suivanes x [, 2[ f(x) = n 2 x si x [, /n 2 [; n N \{;} x [, [ f(x + n) = n 2 (2/n 2 x) si x [/n 2, 2/n 2 [; sinon. Cee foncion es bien coninue sur [, + [. Deplus,pouroueniern 2, n n f(x) = k= k+ k n f(x) = k= f(k + x) = n k= k 2 π2 6. Coe f es posiive, on en dédui qu elle es inégrable sur [, + [. Orellen adepasde liie en + car elle prend une infinié de fois la valeur e une infinié de fois la valeur. 9