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Corrigé des exercices sur le Chapitre 8

6) Montrer que l’intégrale généralisée I=

Z +∞

0

sin t t dt, est semi-convergente.

7) Le théorème de continuité des intégrales généralisées dépendant d’un paramètre per-met-il de conclure que I=limx0F(x)?

8.6 Corrigé des exercices sur le Chapitre 8

Corrigé de l’exercice 8.1 1) On remarque que

|f(t,x)| ≤h(t) = 1 1+t2.

Ceci nous montre tout d’abord que F(x)est bien définie puisque Z +

0

h(t)dt est conver-gente (théorème de comparaison). D’autre part puisque f(t,x)est continue, et uniformé-ment dominée par la fonction h(t), on peut appliquer le théorème de continuité des inté-grales généralisées dépendant d’un paramètre. La fonction F(x)est donc continue surR. De plus F(x)est bornée par

Z +

0 h(t)dt= π 2.

2) Il est immediat que F(x) =F(−x)puisque cos(tx) =cos(−tx). D’autre part, F(0) =

Z + 0

1

1+t2dt= lim

T+arctg(T)−arctg(0) =π/2.

3) En utilisant le changement de variable u=xt, on obtient F(x) =

Z +∞

0

cos u 1+ (u/x)2

du x =x

Z +∞

0

cos u

x2+u2du=xG(x).

4) On calcule tout d’abord

g

x(u,x) =

2x cos u (x2+u2)2.

C’est une fonction continue sur]0,+∞[×]0,+∞[. Soit a>0 donné. Pour xa, on a

|∂g

x(x,u)| ≤ 2x

(x2+u2)22x

x2(x2+u2) = 2

x(x2+u2) ≤ 2 a(a2+u2). Puisque

Z +∞

0

2

a(a2+u2)du converge, on peut appliquer le théorème de dérivation des intégrales généralisées dépendant d’un paramètre qui nous montre que G est de classe C1 sur[a,+∞[et sa dérivée est donnée par

G(x) = Z +

0

g

x(u,x)du= Z +

0

2x cos u (x2+u2)2du.

§ 8.6. Corrigé des exercices sur le Chapitre 8 165 De même, on calcule

2g

(a2+u2)2du converge, ceci nous permet d’appliquer le théorème de déri-vation des intégrales généralisées dépendant d’un paramètre qui nous montre que G est C1sur[a,+∞[, c’est-à-dire que G est de classe C2et que sa dérivée G′′ est donnée par

On effectue deux intégrations par partie successives sur un intervalle[A,B]où B>A>0.

On remarque que les termes tout intégrés tendent vers 0 lorsque A0 et B→+∞, et on trouve donc :

Toute solution de cette équation sur un intervalle est une combinaison linéaire des solu-tions élémentaires exet exd’où la forme de F.

Corrigé de l’exercice 8.2 1) La fonction positive 1

(t2+x4)n est définie et continue sur [0,+∞[×R+

. Elle est donc intégrable sur tout intervalle[0,A]⊂[0,+∞[. Pour t→+∞, on a 0≤ 1

(t2+x4)n ≤ 1 t2n qui est intégrable en+∞. On en déduit que cette fonction est intégrable sur[0,+∞[.

2) Soit a>0. Pour t∈[0,+∞[et x∈[a,+∞[, on peut écrire :

et sa dérivée vérifie bien :

hn(x) =−4nx3hn+1(x).

Comme ceci est vérifié pour tout 0<a<A, on en déduit que hnest dérivable surR+

et que cette relation est également vérifiée pour tout x∈R+

. relation trouvée en 3) :

hn+1(x) =− 1

4nx3hn(x) =− 1

4nx3(2−4n)anx24n1=an4n−2

4n x24(n+1).

L’hypothèse de récurrence est bien vérifiée au rang n+1 et an∈Rvérifie la relation de récurrence a1Corrigé de l’exercice 8.3

1) En appliquant le résultat du cours sur la fonction Γ, on voit aisément que l’intégrale généralisée

§ 8.6. Corrigé des exercices sur le Chapitre 8 167 supérieure et donc il existe b∈[a,1]tel que f(b) =1. Ceci contredit l’hypothèse sur f et on a donc bien g(x)<1 pour tout x∈]0,1].

3) Supposons que f(0)>0 et soit 0<ε< f(0). La formule des accroissement finis nous dit qu’il existeα >0 tel que si 0≤t≤α, alors|f(t)−f(0)−t f(0)| ≤tε.

On en déduit que, si 0≤t≤α, f(t)≥1+t(f(0)−ε)>1. Ceci contredit l’hypothèse et donc on a bien f(0)≤0.

4) On applique la formule des accroissements finis aux 2 fonctions f et e−µt : il existe deux fonctionsε1etε2, tendant vers 0 lorsque t→0 telles que

f(t) =1−λt+tε1(t), eµt=1−µt+tε2(t). On en déduit que

f(t)−e−µt

Ceci contredit l’hypothèse que nous avons faite et donc on a bien l’existence de xµ∈]0,1]

tel que pour tout t ∈[0,xµ], f(t)≥e−µt. en ayant effectué le changement de variable s=nµt.

5)c) Lorsque n→∞, la suite valeur d’adhérence de la suite

est supérieure à cette limite. En particulier, on en déduit bien que pourµ >λ,

lim inf

Ceci implique en particulier que pour tout s∈[0,α], f(s)<e−µs.

Ceci contredit l’hypothèse que nous avons faite et donc on a bien l’existence de xµ∈]0,1]

tel que pour tout t ∈[0,xµ], f(t)≤e−µt.

µ1−α et 0 respectivement car g(xµ)<1. Donc, toute valeur d’adhérence de la suite

est inférieure à la somme de ces 2 limites.

En particulier, on en déduit bien que pour 0<µ <λ,

et puisque cette inégalité est vraie pour toutµ <λ, on a aussi l’inégalité : lim sup 7) On déduit des questions 5) et 6) que la suite

li-mites supérieure et inférieure, elle est donc convergente vers cette valeur commune qui estΓ(1−α)

Corrigé de l’exercice 8.4

1) Soit A>0 fixé. En intégrant par parties sur[0,A], on trouve :

§ 8.6. Corrigé des exercices sur le Chapitre 8 169

reste bornée par 1 et l’intégrale Z +∞

t dt converge absolument.

4) Soit a > 0. L’application g : [0,+∞[×[a,+∞[→ R telle que g(t,x) = extsin t t est continue par rapport au couple (t,x) ainsi que ∂

xg(t,x) = extsin t. De plus, pour intervalle[a,+∞[(avec a>0 quelconque), donc sur]0,+∞[.

5) On a :

t est continue en 0, donc le seul problème de convergence est en +∞. Soit A>0. On a :

Cette dernière intégrale est absolument convergente. On peut prendre la limite quand A→+∞et on trouve :

dt diverge car elle a le même comportement que la série de terme général un= La série est donc divergente et l’intégrale aussi.

7) Soit b>0. L’application g :[0,+∞[×[0,b]→Rtelle que g(t,x) =extsint

t est conti-nue par rapport au couple (t,x) mais il n’existe pas de fonction intégrable ϕ telle que

extsint t

≤ϕ(t)sur[0,+∞[×[0,b]car sinon, pour x=0 on aurait ,

sint t

≤ϕ(t)ce qui implique

Z +

0 ϕ(t)dt= +∞. Donc le théorème ne s’applique pas.

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171

A

Application partielle . . . 138, 139 Approximation numérique des intégrales

59, 60 Changement de variable . 55, 56, 62, 65,

67, 126

Coefficients de Fourier . . . 124–126, 129 Continuité de l’intégrale de Riemann . . .

140, 145

Continuité de l’intégrale généralisée151, 154

Continuité des limites . . . 83, 85 Continuité des sommes 84, 96, 100, 120,

121

Contraposée . . . 2

Convergence absolue . 22–25, 32, 35, 95, 96, 98, 118–123 Convergence commutative . . . 35, 37 Convergence d’une série . . . 124

Convergence normale . . . 82, 83, 96, 118, 120–122 Convergence simple. . . 77–80, 95, 128 Convergence uniforme . . . 79–85, 87, 88, 96, 118, 119, 128 Convergence uniforme des intégrales gé-néralisées . . . 155

Critére de Cauchy uniforme . . . 118

Critère de Cauchy . . . . 15, 21–23, 26, 32 Critère de Cauchy pour les fonctions . 64 Critère de Cauchy pour les intégrales 65, 68, 70 Critère de Cauchy uniforme. . 81, 82, 85, 118 D Deuxième formule de la moyenne 56, 70 Dérivabilité de l’intégrale de Riemann . . 141, 142, 145 Dérivabilité de l’intégrale généralisée . . 152, 155 Dérivabilité des limites . . . 85

Dérivabilité des sommes . . 87, 100, 120, 121 Développement en séries entiéres . . 102,

104, 105 Développement en séries entières . . 102,

109 Développement en séries trigonométri-ques . . . 122

Fonction continûment différentiable 139, 145 Fonction de plusieurs variables 137–140, 144, 151 Fonction en escalier . . 45–48, 50, 51, 57, 124, 125 Fonction Gamma . . . 154

Fonction intégrable . . 47, 48, 50, 51, 57, 58, 124, 125, 151, 152 Fonction inverse . . . 56

Fonction localement intégrable . . 62, 65, 66, 68

Index 173 Intégrale de Riemann . 49, 140, 141, 145

Intégrale des fonctions en escalier . . . 46

Intégrale généralisée . . 63, 151, 154–156 Intégrales de Riemann . . . 67

Limite d’une suite 11, 12, 16, 17, 19–21, 29, 36, 48, 78, 81, 83–85, 87, 88,

Norme de la convergence uniforme . . 80

P Rayon de convergence95–102, 104, 105, 107, 109, 119 Série convergente . 21–26, 32, 34, 35, 37, 67, 104, 117

Série trigonométrique . 34, 117, 119–123 Série à termes positifs . . . 25

Sinus et Cosinus complexes . . . 107

Sommation par paquets . . . 37, 38, 99 Somme d’une série . . . 21, 22, 24, 30, 33–37, 77–81, 83–85, 87, 88, 96, 98–105, 120–123, 125, 129 Somme de Cesaro . . . 17

Suite convergente . 11–16, 18, 32, 48, 53, 81 Théorème d’Abel pour les intégrales . 69 Théorème de Bolzano-Weierstrass . . . 16

Théorème de Dirichlet . . . 126

Transformée de Laplace . . . 155 V

Voisinage d’un point . . . 64, 65, 68