Quelques notions de base sur les intégrales généralisées

Chapitre 1
Quelques notions de base sur les
int´egrales g´en´eralis´ees
1.1 D´efinitions
D´efinition 1 : Soit I un intervalle de Ret f:IRune fonction. On dira que fest localement
inegrable sur I si et seulement si f est inegrable sur tout intervalle de compact de I, c’est `a dire sur
tout intervalle [α, β] tel que [α, β]I.
Remarque : en pratique, les fonctions localement inegrables sont les fonctions continues ou continues
par morceaux.
D´efinition 2 : Soient aet btels que −∞ < a < b 6+. On consid`ere la fonction f: [a, b[R
localement inegrable, et on pose : x[a, b[, F(x) = Zx
a
f(t)dt. On dit que l’int´egrale g´en´eralis´ee
(ou impropre) de fconverge sur [a, b[ si la limite lim
xbF(x) existe et est finie. Dans ce cas on note :
Zb
a
f(t)dt = lim
xbZx
a
f(t)dt = lim
xbF(x).
Remarque : si l’int´egrale ne converge pas on dit qu’elle diverge. Elle peut diverger pour deux raisons :
soit la limite limxbRx
af(t)dt existe mais est infinie (dans ce cas on dit que l’int´egrale Zb
a
f(t)dt est
infinie), soit cette limite n’existe pas (et dans ce cas on dit que l’inegrale Zb
a
f(t)dt n’existe pas).
Exemples :´
Etude de Z+
0
dt
1 + t2(converge), R+
1
dt
t(existe mais diverge : R+
1
dt
t= +), R1
0
dt
1t
(idem), R1
0
dt
1t(converge), R+
0cos t dt (diverge : la limite n’existe pas).
Remarque : D´efinition analogue pour f: ]a, b]Ravec F(x) = Zb
x
f(t)dt (−∞ 6a < b < +)
D´efinition 3 : Soient aet btels que −∞ 6a < b 6+. On consid`ere la fonction f: ]a, b[R
localement int´egrable. On dit que l’int´egrale g´en´eralis´ee de fconverge sur ]a, b[ s’il existe c]a, b[ tel
que Zc
a
f(t)dt et Zb
c
f(t)dt convergent. Dans ce cas, c’est vrai pour tout c]a, b[ ; on note alors
Zb
a
f(t)dt =Zc
a
f(t)dt +Zb
c
f(t)dt
2
(ind´ependant de c).
Exemple :´
Etude de Z+
−∞
dt
1 + t2.
Crit`ere de Cauchy : soit f: [a, b[Rune fonction localement inegrable ; on a l’´equivalence entre
les deux assertions :
i) l’inegrale g´en´eralis´ee Rb
af(x)dx converge,
ii) on a la limite lim
min(X,Y )bRY
Xf(x)dx = 0, ce qui se traduit rigoureusement par
ε > 0c]a, b[X, Y ]c, b[
ZY
X
f(x)dx
6ε.
Exercice : formuler le crit`ere analogue pour Rb
af(t)dt avec f: ]a, b]Rlocalement int´egrable.
Exemple : convergence de R+
1
cos t
t2dt.
Application : si −∞ < a < b < +et flocalement int´egrable et born´ee sur ]a, b[, alors Rb
af(t)dt
converge.
Exemple : convergence de R1
0sin 1
xdx.
Remarques :
R+
0f(t)dt converge 6⇒ f(t)
t+0. (Consid´erer par exemple fvalant 2nsur [n4n, n + 4n]
pour n>1 et nulle en dehors de ces intervalles.)
f(t)
t+06⇒ R+
0f(t)dt converge. (Penser `a R+
0
dt
1+t.)
Deux erreurs fr´equentes (et dont il faut absolument se garder) consistent `a affirmer que ces “implica-
tions” sont vraies !
Plus g´en´eralement, il ne faut pas confondre la question de l’existence d’une limite de la fonction f
aux bornes de l’intervalle d’int´egration et celle de la convergence de l’int´egrale de f. L’int´egrale peut
converger mˆeme quand fn’a pas de limite ou a une limite infinie ; si fa une limite finie non nulle en
une borne infinie l’inegrale diverge toujours, et si fa une limite nulle en une borne infinie l’inegrale
peut diverger. Le tableau suivant, repr´esentatif des situations en une borne finie, ´etudie l’int´egrale
d’une fonction f: ]0, b]R(avec b < )
lim fRlim f∈ {±∞} lim fn’existe pas
Rb
0f(x)dx converge toujours ex : 1
xex : sin 1
x
(crit`ere de Cauchy)
Rb
0f(x)dx diverge jamais ex : 1
xex : fqui vaut 2nsur
1
n1
2n,1
n+1
2n(n>6) et 0 ailleurs
Le tableau suivant, repr´esentatif des situations en une borne infinie, ´etudie l’int´egrale d’une fonction
f: [a, +[R(avec −∞ < a)
lim f= 0 lim f6= 0 lim fn’existe pas
R+
af(x)dx converge ex : f= 0 jamais ex : fvalant 2nsur
[n4n, n + 4n] (n>1) et 0 ailleurs
R+
af(x)dx diverge ex : 1
xa+1 toujours ex : sin(x)
3
1.2 M´ethodes de calcul des int´egrales g´en´eralis´ees
1.2.1 Primitive
La premi`ere m´ethode de calcul d’une int´egrale g´en´eralis´ee consiste `a prendre une primitive lorsque
c’est possible, puis de prendre la limite. On a vu des exemples ci-dessus. En voici un autre :
Exemple :R+
c
dx
(xa)(xb)(c > a > b). On d´ecompose la fraction 1
(xa)(xb)en ´el´ements simples, c’est-
`a-dire qu’on cherche des constantes Aet Btelles que pour tout xon ait 1
(xa)(xb)=A
xa+B
xb. On
peut les deviner, sinon on utilise la m´ethode suivante : multipliant 1
(xa)(xb)=A
xa+B
xbpar xaon
obtient 1
xb=A+B(xa)
xbd’o`u (en prenant x=a)A=1
ab, et on trouve de mˆeme que B=1
ab; donc
1
(xa)(xb)=1
ab1
xa1
xb. D’o`u (en primitivant) RX
c
dx
(xa)(xb)=1
abln Xa
Xbln ca
cb
X+
1
abln cb
ca.
1.2.2 Changement de variable
Th´eor`eme 1 : Changement de variable
Soient aet btels que −∞ 6a < b 6+et f: ]a, b[Rune fonction continue. Soit φ: ]α, β[]a, b[
une bijection de classe C1dont la fonction r´eciproque est aussi de classe C1, alors :
Zb
a
f(t)dt et Zβ
α
f(φ(u))φ(u)du
ont mˆeme nature, et dans le cas o`u elles convergent, elles sont ´egales.
Exemple :´
Etude de Zb
a
dt
p(ta)(bt)(a < b). [Poser t=a+ (ba)upuis u=v2.]
1.2.3 Inegration par parties
Th´eor`eme 2 : Inegration par parties
Soient aet btels que −∞ 6a < b 6+et fet gdeux fonctions de ]a, b[Rde classe C1.
On suppose que lim
xbf(x)g(x) existe et vaut lbRet que lim
xaf(x)g(x) existe et vaut laR, alors
Zb
a
f(t)g(t)dt et Zb
a
f(t)g(t)dt ont mˆeme nature, et dans le cas o`u elles convergent, on a :
Zb
a
f(t)g(t)dt = (lbla)Zb
a
f(t)g(t)dt
Exemple : convergence de R+
1
sin t
tdt (en se ramenant `a celle de R+
1
cos t
t2dt prouv´ee plus haut).
1.3 Convergence absolue
D´efinition 4 : On dit qu’une int´egrale g´en´eralis´ee Zb
a
f(t)dt est absolument convergente si Zb
a
|f(t)|dt
converge.
Th´eor`eme 3 : Toute int´egrale absolument convergente est convergente.
Preuve : par le crit`ere de Cauchy.
Autre preuve ou exercice (sans le crit`ere de Cauchy) : On suppose par exemple I= [a, b[. On a
l’in´egalit´e : 0 6f(t) + |f(t)|62|f(t)|. On int`egre : la fonction x7→ Rx
a|f(t)|dt a une limite finie en
4
b, est croissante (car |f|positive), donc major´ee par sa limite, donc x7→ Rx
a(f(t) + |f(t)|)dt est une
fonction major´ee et croissante sur [a, b[ (par positivit´e de f+|f|), donc elle admet une limite finie.
Alors par diff´erence, x7→ Rx
af(t)dt a une limite finie en b.
N.B. Attention la r´eciproque du th´eor`eme ci-dessus est fausse : toute inegrale conver-
gente n’est pas absolument convergente :
D´efinition 5 : On dit qu’une int´egrale g´en´eralis´ee Zb
a
f(t)dt est semi-convergente si elle est convergente
mais pas absolument convergente.
Exercice : Montrer que l’int´egrale R+
1
sin t
tdt est semi-convergente. (On pourra montrer la divergence
de R+
1|sin t|
tdt en minorant |sin t|par sin2t= (1 cos(2t))/2.)
1.4 Crit`eres de convergence pour les int´egrales de fonctions posi-
tives
Les crit`eres qui suivent sont commodes pour d´eterminer si une int´egrale g´en´eralis´ee d’une fonction
positive converge. En les appliquant `a Rb
a|f(t)|dt on peut voir si une int´egrale g´en´eralis´ee d’une fonction
non positive converge absolument.
1.4.1 Th´eor`eme de convergence
Th´eor`eme 4 : Soient aet btels que −∞ < a < b 6+et f: [a, b[R+localement inegrable. On
pose x[a, b[, F(x) = Zx
a
f(t)dt. Alors l’int´egrale Zb
a
f(t)dt est convergente si et seulement si Fest
major´ee sur [a, b[.
Si l’int´egrale Zb
a
f(t)dt est divergente, c’est-`a-dire si F(x)+quand x+, on note
Rb
af(t)dt = +.
Noter que pour une fonction localement inegrable positive, l’inegrale g´en´eralis´ee Rb
af(t)dt existe
toujours (quitte `a ˆetre infinie, donc divergente) ; tandis que pour une fonction dont le signe varie (par
exemple f(t) = sin t), l’int´egrale Rb
af(t)dt peut ne pas exister du tout.
1.4.2 Crit`eres de comparaison
Th´eor`eme 5 : Soient aet btels que −∞ 6a < b 6+et f, g : ]a, b[R+localement int´egrables
telles que t]a, b[ on ait
06f(t)6g(t).
On a alors :
06Zb
a
f(t)dt 6Zb
a
g(t)dt.
En particulier :
1. Si Zb
a
g(t)dt est convergente, alors Zb
a
f(t)dt est convergente.
2. Si Zb
a
f(t)dt est divergente, alors Zb
a
g(t)dt est divergente.
Exemples : on retrouve la convergence (absolue) de R+
1
cos t
t2dt et de R1
0sin 1
xdx (d´ej`a vue comme
application directe du crit`ere de Cauchy) : car R+
1|cos t
t2|dt 6R+
1|1
t2|dt = [1
t]+
1= 1 <+et
R1
0|sin 1
x|dx 6|R1
0dx|= 1 <+.
5
1.4.3 Utilisation des ´equivalents
Rappel : on dit que deux fonctions f,gsont ´equivalentes en un point t0R∪ {−∞,+∞}, et on
note f(t)g(t) quand tt0(ou f
t0
g), si f(t)/g(t)1 quand tt0. (Exemples : sin ttquand
t0, t
1+t21
tquand t→ ±∞.)
Th´eor`eme 6 : Soient aet btels que −∞ < a < b 6+et fet gd´efinies de [a, b[R+localement
inegrables telles que f(t)g(t) quand tbalors Zb
a
f(t)dt et Zb
a
g(t)dt ont mˆeme nature.
1.4.4 Exemples de base
Th´eor`eme 7 : Inegrale de Riemann
1. Z1
0
dt
tαconverge si et seulement si α < 1. (Preuve en exercice.)
2. Z+
1
dt
tαconverge si et seulement si α > 1. (Preuve en exercice.)
Application : Crit`ere de Riemann en 0. Soit fune fonction positive et localement int´egrable sur ]0,1] ;
on suppose que f(t)
0
1
tα: alors R1
0f(t)dt converge ssi α < 1.
Exemple (exercice) : nature de l’int´egrale R1
0
ln(1+5t2)+t7
sin t(tan t)2dt.
Crit`ere de Riemann en +. Soit fune fonction positive et localement int´egrable sur [1,+[ ; on
suppose que f(t)
+
1
tα: alors R+
1f(t)dt converge ssi α > 1.
Exemple : nature de l’int´egrale R+
1
15t5+5t4+12t3+217t2+54t+8877
21t7+876t5+258t+34532 dt.
Th´eor`eme 8 : Inegrales de Bertrand
Soient aun r´eel strictement sup´erieur `a 1 et αet βdeux r´eels quelconques. Alors Z+
a
dt
tα(ln t)β
converge si et seulement si α > 1 et βquelconque, ou bien α= 1 et β > 1.
Soient a]0,1[ et αet βdeux r´eels quelconques. Alors Za
0
dt
tα|ln t|βconverge si et seulement si α < 1
et βquelconque, ou bien α= 1 et β > 1.
Crit`ere de Bertrand en +. Soit fune fonction positive et localement int´egrable sur [A, +[, AR;
on suppose que f(t)
+
1
tα(ln t)β: alors R+
Af(t)dt converge ssi α > 1 et βquelconque, ou bien α= 1
et β > 1.
Crit`ere de Bertrand en 0. Soit fune fonction positive et localement int´egrable sur ]0, A], A > 0 ; on
suppose que f(t)
0
1
tα|ln t|β: alors RA
0f(t)dt converge ssi α < 1 et βquelconque, ou bien α= 1 et
β > 1.
1.5 Int´egrales `a param`etre
On admet :
Th´eor`eme de continuit´e : Soient I,Jdes intervalles de R. Soit f:I×JC, (x, t)7→ f(x, t), une
fonction telle que
1. Pour tout xI,t7→ f(x, t) est localement int´egrable sur J.
2. Pour tout tJ,x7→ f(x, t) est continue sur I.
3. Il existe une fonction g:JR+localement inegrable, telle que |f(x, t)|6g(t) pour tous
xI,tJ, et telle que RJg(t)dt converge.
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