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I Intégrale et primitive

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

vectorielles)

Les fonctions dont il est question dans ce chapitre sont définies sur un inter- valleI deR, à valeurs dansF, espace vectoriel normé de dimension finie surR ouC.En général,F seraRouC.

I Intégrale et primitive

I.1 Symbole Z

b

a

f (t )d t

Définition : Soit f continue par morceaux sur l’intervalleI deR. Pour tout couple (a,b) d’éléments de I, le segment d’extrémitésa et b (que l’on note indifféremment [a,b] ou [b,a]) est inclus dansI. On définit alors Z b

a

f(t)d t= Z

[a,b]

f sia<b, Z b

a

f(t)d t= − Z

[b,a]

f sia>b, Z b

a

f(t)d t=0 sia=b.

Linéarité : Si f etg sont continues par morceaux surI, siλest un élément deKet siaetbsont deux éléments quelconques deI, alors

Z b a

(f +λg)(t)d t= Z b

a

f(t)d t+λ Z b

a

g(t)d t .

(2)

Relation de Chasles : Si f est continue par morceaux sur I, si a,b, c sont trois points deI, alors

Z b

a

f(t)d t+ Z c

b

f(t)d t= Z c

a

f(t)d t .

Inégalité de la moyenne Si f est continue par morceaux surI, siaetbsont deux points deI, alors

¯

¯

¯

¯

¯

¯ Z b

a

f(t)d t¯

¯

¯

¯

¯

¯≤ |ba|sup

[a,b]

||f||.

En pratique, lorsque la fonction à intégrer se présente comme un produit de fonc- tions, cette majoration est souvent trop grossière et on ne majore qu’une partie de la fonction ; par exemple, si f est à valeurs dansKet g à valeurs dans unK-espace vectoriel de dimension finie(E,k.k),

°

°

°

° Z b

a

f(t)g(t)d t

°

°

°

°≤ Z b

a |f(t)| kg(t)kd t ≤sup

[a,b]

|f| Z b

a kg(t)kd t mais aussi bien, dans le même contexte,

°

°

°

° Z b

a

f(t)g(t)d t

°

°

°

°≤ Z b

a |f(t)| kg(t)kd t ≤sup

[a,b]

kgk Z b

a |f(t)|d t

I.2 Primitive

Définition (primitive d’une fonction continue) : Soitf une application conti- nue de l’intervalleIdeRdans un espace de dimension finie. On appelle primitive de f surI toute application dérivable surI et dont la dérivée est f (une telle application est alors nécessairement de classeC1). Deux primitives de f surI diffèrent d’une constante.

Remarque Le fait queIsoit un intervalle est très important.

I.3 Intégrale et primitive

Théorème fondamental (lien entre intégration et dérivation) : Soit f une application continue surI,aun point deI. Il existe une unique primitive

(3)

de f surIqui s’annule ena. Cette primitive est l’application x7−→

Z x a

f(t)d t .

Pour toute primitivehde f et tous pointsaetxdeI, on a donc Z x

a

f(t)d t=h(x)h(a) .

Démonstration Voir annexe : par rapport au cas réel ou complexe, il s’agit seulement de remplacer quelques|.|par desk.k.

Corollaire : Si f est de classeC1surI, pour tous pointsaetxdeI, f(x)=f(a)+

Z x

a

f0(t)d t.

Ecriture utile pour déduire de propriétés de f0des conclusions sur f . Notation : On note souvent [h]ba ou [h(t)]t=bt=a ou encore, lorsqu’il n’y a pas

d’équivoque possible sur le nom de la variable, [h(t)]bal’expression h(b)h(a).

II Intégration par parties, changement de variables

II.1 Intégration par parties

Théorème d’intégration par parties

On considère troisK-espaces vectoriels normésE,F,G.

Si f etg sont de classeC1surI, à valeurs dansEetFrespectivement (qui sont deux espaces vectoriels normés de dimension finie), siB : E×FGest bilinéaire, siaetbsont deux points deI,

Z b a

B¡

f(t),g0(t)¢

d t =[B¡

f(t),g(t)¢ ]ba

Z b a

B¡

f0(t),g(t)¢ d t .

Utilisation On utilise cette formule dans le cas du produit de réels ou de complexes (déjà vu, donc), rarement dans le cas oùE=F est un espace euclidien etB le produit scalaire sur cet espace (G=R, donc).

(4)

II.2 Changement de variable

Théorème de changement de variable

Soit f une fonction continue sur un intervalleI deR, à valeurs dans un espace vectoriel de dimension finieE. Soitφune fonction de classeC1 sur un segment [α,β] deR, à valeurs dansI. Alors

Z φ(β)

φ(α) f(t)d t= Z β

α f¡ φ(u)¢

φ0(u)d u. Rappel Le changement de variable, c’estt=φ(u), pasu=ψ(t).

III Inégalités des accroissements finis

III.1 Inégalités

Théorème : Si f est de classeC1sur [a,b], à valeurs dans un evn de dimen- sion finie (E,k.k), sikf0k ≤ksur [a,b], alors

kf(b)−f(a)k ≤k|ba|

III.2 Classe C

n

par prolongement

Théorème SoitIun intervalle,aI. Soit f une application de classeCnsur I\ {a}, à valeurs dans un evn de dimension finie. On suppose que f(j)a, pour toutj ∈ ‚0,nƒ, une limite ena. Alors f se prolonge en une fonction de classeCnsurI.

IV Formules de Taylor

IV.1 Formule de Taylor avec reste sous forme intégrale

Notation : Soitf de classeCksur un intervalleIdeR(à valeurs dans un es- pace de dimension finie), et soitaun point deI. Le polynôme de Taylor

(5)

de f enaà l’ordrekest, au pointx: Tk(x)=

k

X

i=0

(x−a)i

i! f(i)(a) (il s’agit d’ailleurs plutôt d’une fonction polynôme).

Théorème : Soit f de classeCk+1sur un intervalleI deR(k≥0), à valeurs dans un espace de dimension finie. Soitaun point deI. Alors, pour tout xdeI,

f(x)=Tk(x)+Rk(x) où Rk(x)= Z x

a

(x−t)k

k! f(k+1)(t) dt. Autrement dit,

f(x)= Xk i=0

(x−a)i

i! f(i)(a)+ Z x

a

(x−t)k

k! f(k+1)(t) dt Démonstration Par récurrence et intégration par parties.

IV.2 Inégalité de Taylor-Lagrange

Théorème : Soit f de classeCk+1sur un intervalleI deR(k≥0), à valeurs dans un espace de dimension finie (E,k.k). Soita un point deI. Alors, pour toutxdeI,

°

°

°

°

° f(x)−

k

X

i=0

(x−a)i

i! f(i)(a)

°

°

°

°

°

≤|xa|k+1 (k+1)! sup

[a,x]

°

°

°f(k+1)°

°

°

V Développements limités, formule de Taylor-Young

V.1 A propos du petit o

a. Lesodans les développements limités

Soit f : I−→EIest un intervalle deRetE un evn de dimension finie. Soit aI. Alors

h

f(x)= o

x→a

¡(x−a)n¢i

⇐⇒

h 1

(x−a)nf(x)−−−→

x→a 0E i

(6)

On peut « concrétiser » un peu cela en disant quef(x)= o

x→a

¡(x−a)n¢

si et seule- ment si il existe une fonction ε : I−→Etelle que

ε(x)−−−→

xa 0E et telle que

∀x∈I f(x)=(x−a)nε(x) b. Remarque

h

f(x)= o

xa

¡(x−a)n¢i

⇐⇒

h

kf(x)kE = o

xa

¡(x−a)n¢i

c. Caractérisation par les composantes

Soit (e1, . . . ,ep) une base quelconque deE. On peut alors définir les fonctions composantes def, lesfi (qui sont à valeurs dansK, siEest unK-espace vecto- riel normé) :

xI f(x)=

p

X

i=1

fi(x)ei Alors

h

f(x)= o

xa

¡(x−a)n¢i

⇐⇒

h

i∈ ‚1,pƒ fi(x)= o

xa

¡(x−a)n¢i Et bien sûr, siK=C, on peut aussi signaler que, sig : I−→C,

h

g(x)= o

x→a

¡(x−a)n¢i

⇐⇒ h Re¡

g(x)¢

= o

x→a

¡(x−a)n¢ et Im¡

g(x)¢

= o

x→a

¡(x−a)n¢i Ces résultats sont conséquence directe des résultats sur les caractérisations des limites par les composantes.

Par exemple, si, pour toutt∈]−a,a[ (a>0),A(t)∈Mn(K), on a A(t)= o

t0(t) ⇐⇒ ∀(i,j)∈ ‚1,nƒ2 ai,j(t)= o

t0(t)

(7)

V.2 Définition

a. Définition

Soitf une application d’un intervalleI deRdans un espace de dimension finie E. Soitaun point deI. On dit que f admet un développement limité à l’ordre nau voisinage dealorsqu’il existe des élémentsA0,A1, . . . ,AndansEtels que

f(x)−

n

X

k=0

(x−a)kAk= o

x→a

¡(x−a)n¢ ce que l’on écrit

f(x)=

n

X

k=0

(x−a)kAk+ o

xa

¡(x−a)n¢

(même si cette deuxième écriture est encore moins claire que la première, à cause du signe=qui représente un∈).

Les Ak sont alors uniques ;P(x−a)=

n

X

k=0

(x−a)kAk est la partie régulière du développement limité.

Remarquons que l’existence d’un développement limité à l’ordre 0 en un point équivaut à l’existence d’une limite en ce point. Si f admet un développement limité ena, elle est donc prolongeable par continuité ena.

b. Remarque

Il faut bien voir qu’un développement limité est une propriété locale : f(x)=

Xn k=0

(x−a)kAk+ o

x→a

¡(x−a)n¢

est un résumé (en plus clair !) des propriétés successives suivantes : f(x)−−−→

xa A0 1

xa

¡f(x)−A0¢

−−−→xa A1 1

(x−a)2

¡f(x)−A0−(x−a)A1

¢−−−→

x→a A2

1 (x−a)3

¡f(x)−A0−(x−a)A1−(x−a)2A2

¢−−−→

x→a A3

. . .. . .. . .

(successives car chaque limite écrite « contient » toutes les autres).

(8)

c. Caractérisation par les composantes

Soit f une application d’un intervalle I deRdans un espace de dimension fi- nieE. Soitaun point deI. Soit (e1, . . . ,ep) une base quelconque deE. On note f1, . . . ,fp les fonctions composantes de f sur la base (e1, . . . ,ep). Si (A0, . . . ,An) sontnéléments deE, on peut les décomposer dans la base (e1, . . . ,ep) :

Aj=

p

X

i=1

a(i)j ei

Alors

f(x)=

n

X

k=0

(x−a)kAk+ o

xa

¡(x−a)n¢ est équivalent à

∀i∈ ‚1, fi(x)= Xn k=0

(x−a)kA(ik)+ o

x→a

¡(x−a)n¢

Autrement et plus simplement dit, les développements limités des composantes sont les composantes des développements limités.

d. Exemple

L’extension des développements limités aux fonctions à valeurs vectorielles est essentiellement théorique, la pratique se situant au niveau des fonctions à va- leurs réelles en général. Donnons quand même un exemple : on définit

f : R −→ R2

t 7−→ (cost, sint+cost) Alors, au voisinage de 0,

f(t)=(1, 1)+t(0, 1)+t2 µ

−1 2,−1

2

¶ +t3

µ 0,−1

6

¶ + o

t0

¡t3¢

(9)

V.3 Opérations sur les développements limités :

a. Combinaison linéaire

Si f et g admettent au voisinage de a des développements limités de parties régulières respectives

n

X

k=0

(x−a)kAket

n

X

k=0

(x−a)kBk, alorsf +λg admet un dé- veloppement limité au voisinage deade partie régulière

Xn k=0

(x−a)k(Ak+λBk).

b. Composition

Si f est une application de I dans J (I et J désignant deux intervalles de R) admettant un développement limité à l’ordrenau voisinage dea (a ∈I), sig est une application deJdansEadmettant un développement limité à l’ordren en f(a), alorsgf admet un développement limité à l’ordrenau voisinage de a.

V.4 Développement limité d’une primitive

Théorème : Soitf une application d’un intervalleI deRà valeurs dans un espace de dimension finieE, continue surIet admettant un développe- ment limité à l’ordrenena(a∈I) :

f(x)=

n

X

k=0

(x−a)kAk + o

x→a

¡(x−a)n¢

SoitF une primitive def surI. AlorsF admet un développement limité à l’ordren+1 ena, obtenu en « intégrant terme à terme » celui de f :

F(x)=F(a)+

n

X

k=0

(x−a)k+1

k+1 Ak + o

xa

¡(x−a)n+1¢

Démonstration : En fait, si on fait la preuve dans le cas où tous lesAk sont nuls, on a tout fait.

(10)

V.5 Théorème de Taylor-Young

Théorème Soit f une application de classeCk d’un intervalle I deRdans un espace vectorielE de dimension finie. Soita un point de I. Alors f admet au voisinage deale développement limité à l’ordreksuivant :

f(x)=

k

X

i=0

(x−a)i

i! f(i)(a)+ o

xa

¡(x−a)k¢ que l’on peut aussi écrire

f(a+h)=

k

X

i=0

hi

i! f(i)(a)+ o

h0

¡hk¢

Démonstration Par récurrence, à partir du résultat précédent.

V.6 Développement limité d’une dérivée

Rappel : on ne dérive par un développement limité.

VI Annexe : démonstration du théorème fondamen- tal

Théorème : Soit f une application continue sur I, à valeurs dans un evn de dimension finie (E,k.k),aun point deI. Il existe une unique primitive def sur Iqui s’annule ena. Cette primitive est l’application

x7−→

Z x

a

f(t)d t .

Démonstration :NotonsF l’application définie surI par F(x)=

Z x

a

f(t)d t

On veut démontrer queF est une primitive def surI. Ce qui revient à montrer que, pour toutxI, on a le développement limité au voisinage de 0 :

F(x+h)=F(x)+h f(x)+ o

h→0(h)

(11)

Fixons doncxI. Dans ce qui suit, on suppose quehest assez petit pour que x+hI (si x est une borne de I, le signe de h est fixé). On peut écrire, en utilisant la relation de Chasles :

F(x+h)F(x)−h f(x)= Z x+h

x

f(t)d t −h f(x)

= Z x+h

x

¡f(t)−f(x)¢ d t

et donc

°

°F(x+h)−F(x)−h f(x)°

°≤

¯

¯

¯ Z x+h

x kf(t)−f(x)kd t¯

¯

¯

Soit²>0 ; par continuité de f enx, il existeη>0 tel que

∀y∈I |y−x| ≤η ⇒ kf(y)−f(x)k ≤²

Si|h| ≤η, on a, pour toutt∈[x,x+h] (quehsoit positif ou négatif n’a aucune importance),|tx| ≤ηet donckf(t)−f(x)k ≤². D’où, finalement,

|h| ≤η⇒°

°F(x+h)F(x)−h f(x)°

°≤²|h|

On a montré

∀²>0∃η>0 |h| ≤η⇒°

°F(x+h)F(x)°

°≤²|h|

ce qui montre bien que

F(x+h)F(x)−h f(x)= o

h→0(h) On conclut donc (l’unicité ne pose pas de difficulté).

(12)

Table des matières

I Intégrale et primitive 1

I.1 Symbole Z b

a

f(t)d t . . . 1

I.2 Primitive . . . 2

I.3 Intégrale et primitive . . . 2

II Intégration par parties, changement de variables 3 II.1 Intégration par parties . . . 3

II.2 Changement de variable . . . 4

III Inégalités des accroissements finis 4 III.1 Inégalités . . . 4

III.2 ClasseCnpar prolongement . . . 4

IV Formules de Taylor 4 IV.1 Formule de Taylor avec reste sous forme intégrale . . . 4

IV.2 Inégalité de Taylor-Lagrange . . . 5

V Développements limités, formule de Taylor-Young 5 V.1 A propos du petito . . . 5

a. Lesodans les développements limités . . . 5

b. Remarque . . . 6

c. Caractérisation par les composantes . . . 6

V.2 Définition . . . 7

a. Définition . . . 7

b. Remarque . . . 7

c. Caractérisation par les composantes . . . 8

d. Exemple . . . 8

V.3 Opérations sur les développements limités : . . . 9

a. Combinaison linéaire . . . 9

(13)

b. Composition . . . 9

V.4 Développement limité d’une primitive . . . 9

V.5 Théorème de Taylor-Young . . . 10

V.6 Développement limité d’une dérivée . . . 10 VI Annexe : démonstration du théorème fondamental 10

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