Un calcul de l’intégrale de Fresnel
Pierron Théo
27 décembre 2013
Lemme 1 Formule de la moyenne
Soit f: [a, b]Rpositive décroissante C1et g: [a, b]Rcontinue. Alors il existe c[a, b] tel
que Zb
a
f(t)g(t) dt=f(a)Zc
a
g(t) dt
Lemme 2 Abel
Soit f: [a, b[RC1et g: [a, b[Rcontinue telles que
fest décroissante et converge vers 0 en b
Il existe M > 0 tel que pour tout x[a, b[, |Rx
ag(t) dt|6M.
Alors Rb
af(t)g(t) dtest convergente.
Lemme 3
Γ(1
2) = π.
Théorème 1 R
0eix2dx=π
2eiπ
4.
Démonstration.
1. Soit α]0,1[. On définit
I:(R+R
x7→ R
0eteixttα1dt
L’intégrande f(x, t) est majoré en module par ettα1qui est intégrable en +car l’ex-
ponentielle l’emporte et en 0 car α > 0. Ainsi, Iest bien défini.
On a de plus fC1et
f
x (x, t)6ettαL1(R+)
Donc par le théorème de dérivation sous l’intégrale, Iest C1et
I(x) = iZ
0
e(ix1)ttαdt
Par IPP, on a de plus
I(x) = eteixt tα
α
0Z
0
tα
αeteixt(ix 1) dt=1ix
αZ
0
tαeteixt dt=i+x
αI(x)
Donc, Iest solution d’une équation différentielle linéaire d’ordre 1. Pour trouver l’expres-
sion de I, il suffit alors de calculer une primitive :
Z1
x+idx=Zxi
x2+ 1 dx=ln(x2+ 1)
2iarctan(x) + C
Donc I(x) = C(x2+ 1)α
2earctan(x)avec CR. Or
C=I(0) = Z
0
tα1etdt= Γ(α)
Donc I(x) = Γ(α)(x2+ 1)α
2earctan(x).
1
2. Soit e
I:y7→ R
0euyeiuuα1du. On a pour x6= 0, xαI(x) = e
I(1
x).
Pour y6= 0, e
I(y) est bien défini en +car l’exponentielle l’emporte et en 0 car α > 0.
e
I(0) est aussi bien défini par le lemme d’Abel. Par la formule de la moyenne, pour tout
n, y et X > n, il existe a, b tel que
ZX
n
euyeiuuα1du= eny Za
n
cos(u)uα1du+Zb
n
sin(u)uα1du!
Posons alors e
In:y7→ Rn
1
n
euyeiuuα1du. On a
|e
In(y)e
I(y)|=Z1
n
0
euyeiuuα1du+Z
n
euyeiuuα1du
6Z1
n
0
uα1du+ sup
t>nZt
n
cos(u)uα1du+ sup
t6nZb
n
sin(u)uα1du
Les sups sont bien définis car par IPP :
Zt
n
uα1sin(u) du= [uα1cos(u)]t
n+Zt
n
(α1)uα2cos(u) du
Donc
Zt
n
uα1sin(u) du6tα1+nα1+Zt
n|(α1)uα2cos(u)|du
62nα1+Z
n|(α1)uα2cos(u)|du <
Donc le sup est bien défini et on a de plus
lim
n+|e
In(y)e
I(y)|= 0
Donc e
Inconverge uniformément vers e
I. Les e
Inétant des intégrales de fonctions continues
sur des domaines compacts, ce sont des fonctions continues, donc e
Iest finalement continue.
3. En particulier, elle est continue en 0 et on a :
Z
0
tα1eit dt=e
I(0) = lim
x0e
I(x) = lim
x→∞ xαI(x) = Γ(α)eπ
2
Pour α=1
2, avec le changement de variables t=u2, on a
Z
0
eiu2du=1
2Z
0
eit
tdt=π
2eπ
2
par le dernier lemme.
2
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