Khˆagne B/L Correction Exercices Chapitre 10 - Int´egrales impropres
10.1 D´eterminer si les int´egrales suivantes sont convergentes, et le cas ´ech´eant, calculer leur valeur :
1. Z+
0
etdt.
2. Z1
0
dt
1t
3. Z+
1
t
(1 + t2)2dt
4. Z0
−∞
tet2dt
5. Z+
0
1dt
6. Z+
2
1
3tdt
7. Z+
0
tetdt
8. Z+
0
dt
1 + t2
1. Convergence de Z+
0
etdt.
La fonction t7→ etest continue sur [0,+[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en +.
Soit x > 0. Alors Zx
0
etdt =etx
0
=ex+e0= 1 ex
x+1
L’int´egrale Z+
0
etdt est donc convergente et on a : Z+
0
etdt = 1.
2. Convergence de Z1
0
dt
1t
La fonction t7→ 1
1test continue sur [0,1[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en 1.
Soit x[0,1[. Alors
Zx
0
dt
1t=2Zx
0
1
21tdt =21tx
0
=21x1= 2 1x
x12
L’int´egrale Z1
0
dt
1test donc convergente et on a : Z1
0
dt
1t= 2.
3. Convergence de Z+
1
t
(1 + t2)2dt
La fonction t7→ t
(1 + t2)2est continue sur [1,+[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en +.
Soit x>1. Alors
Zx
1
t
(1 + t2)2dt =1
2Zx
1
2t
(1 + t2)2dt =1
21
1 + t2x
1
=1
2(1 + x2)+1
4
x+
1
4
L’int´egrale Z+
1
t
(1 + t2)2dt est donc convergente et on a : Z+
1
t
(1 + t2)2dt =1
4.
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Khˆagne B/L Correction Exercices Chapitre 10 - Int´egrales impropres
4. Convergence de Z0
−∞
tet2dt
La fonction t7→ tet2est continue sur ] − ∞,0], on a donc a priori uniquement un probl`eme en −∞.
Soit x]− ∞,0]. Alors
Z0
x
tet2dt =1
2Z0
x
(2t)et2dt =1
2et20
x
=1
2+1
2ex2
x→−∞ 1
2
L’int´egrale Z0
−∞
tet2dt est donc convergente et on a : Z0
−∞
tet2dt =1
2.
5. Convergence de Z+
0
1dt
La fonction t7→ 1 est continue sur [0,+[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en +.
Soit x>0. Alors
Zx
0
1dt =tx
0
=x
x++
L’int´egrale Z+
0
1dt est donc divergente.
6. Convergence de Z+
2
1
3tdt
La fonction t7→ 1
3t=1
etln(3) =etln(3) est continue sur [2,+[, on a donc a priori uniquement un
probl`eme en +.
Soit x>2. Alors
Zx
2
1
3tdt =1
ln(3) Zx
2
(ln(3))etln(3)dt =1
ln(3)etln(3)x
2
= exln(3) e2 ln(3)
ln(3) !
x+
e2 ln(3)
ln(3)
L’int´egrale Z+
2
1
3tdt est donc convergente et on a : Z+
2
1
3tdt =1
9 ln(3).
7. Convergence de Z+
0
tetdt
La fonction t7→ tetest continue sur [0,+[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en +.
Soit x > 0. Calculons Zx
0
tetdt.
On pose
u(t) = t
v0(t) = etet
u0(t) = 1
v(t) = et. Les fonctions uet v´etant de classe C1sur [0, x], on peut faire
une int´egration par parties :
Zx
0
tetdt =tetx
0Zx
0etdt =xex+etx
0
=x
exex+ 1
x+1
L’int´egrale Z+
0
tetdt est donc convergente et on a : Z+
0
tetdt = 1.
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8. Convergence de Z+
0
dt
1 + t2
La fonction t7→ 1
1 + t2est continue sur [0,+[, on a donc a priori uniquement un probl`eme en +.
Soit x > 0. Alors : Zx
0
1
1 + t2dt =Arctan(t)x
0
= Arctan(x)
x+
π
2
L’int´egrale Z+
0
dt
1 + t2est donc convergente et on a : Z+
0
dt
1 + t2=π
2.
10.2 D´eterminer si les int´egrales suivantes sont convergentes :
1. Z+
0r2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7dt
2. Z+
0
t5
t2+ 4t+ 4dt
3. Z+
0
ln(t)
t2+ 1dt
4. Z+
0
et2dt
5. Z+
0
2 + ln(t)
t+ 4 dt
6. Z2
1
1
t2tdt
7. Z+
0
sin(t)
t2dt.
8. Z1
0
1
t3+ 3t2+tdt
9. Z+
1
ln 1 + 1
t2dt
10. Z+
1
ln(t)
t2dt.
11. Z1
0
ln(t)
t1dt.
12. Z+
0
cos(t)
et1dt
1. Convergence de Z+
0r2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7dt
La fonction u:t7→ 5t3+ 3t2+ 7 est continue et d´erivable sur [0,+[ (fonction polynˆomiale) et t>
0, u0(t) = 15t2+ 6t= 3t(5t+ 2) >0. La fonction uest donc croissante et puisque u(0) = 7, elle est
strictement positive sur [0,+[ et ne s’annule donc jamais sur [0,+[.
La fonction f:t7→ r2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7 est donc continue et positive sur [0,+[ comme compos´ee de fonctions
continues. Il y a a priori uniquement un probl`eme en +.
Or; 2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7
t+
2t
5t3=2
5t2
donc
f(t) = r2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7
t+r2
5
1
t
Donc par le th´eor`eme d’´equivalence des fonctions positives, les inegrales R+
1f(t)dt et R+
1
1
tdt sont de
mˆeme nature. Or, Z+
1
dt
tdiverge (Int´egrale de Riemann). On en d´eduit donc que
Z+
1
f(t)dt diverge
Puisque l’int´egrale Z1
0
f(t)dt converge (inegrale sur un segment d’une fonction continue) et que Z+
1
f(t)dt
diverge, on conclut que :
Z+
0r2t+ 3
5t3+ 3t2+ 7dt diverge
2011-2012 Lyc´ee du Parc 3/16
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2. Convergence de Z+
0
t5
t2+ 4t+ 4dt
La fonction f:t7→ t5
t2+4t+4 =t5
(t+2)2est continue sur [0,+[.
Sur [5,+[, la fonction fest continue et positive, et on a
f(t) = t5
t2+ 4t+ 4
t+
t
t2=1
t
Puisque Z+
5
1
tdt diverge (Int´egrale de Riemann), on en d´eduit par le th´eor`eme d’´equivalence des fonc-
tions positives que l’int´egrale Z+
5
f(t)dt diverge ´egalement.
Puisque l’int´egrale Z5
0
f(t)dt converge (inegrale sur un segment d’une fonction continue) et que Z+
5
f(t)dt
diverge, on conclut que :
Z+
0
f(t)dt diverge
3. Convergence de Z+
0
ln(t)
t2+ 1dt
La fonction f:t7→ ln(t)
t2+1 est continue sur ]0,+[. On a a priori un probl`eme en 0 et en +.
Etude de Z1
0
ln(t)
t2+ 1dt.
La fonction f:t7→ ln(t)
t2+1 est continue et n´egative sur ]0,1]. De plus,
f(t) = ln(t)
t2+ 1
t0
ln(t)
1= ln(t)
et Z1
0
ln(t)dt converge, donc par th´eor`eme d’´equivalence des fonctions n´egatives, l’int´egrale Z1
0
ln(t)
t2+ 1dt
converge ´egalement.
Etude de Z+
1
ln(t)
t2+ 1dt.
La fonction f:t7→ ln(t)
t2+1 est continue et positive sur [1,+[. De plus,
f(t) = ln(t)
t2+ 1
t0
ln(t)
t2
donc par th´eor`eme d’´equivalence des fonctions n´egatives, l’int´egrale Z+
1
ln(t)
t2+ 1dt est de mˆeme nature
que l’int´egrale Z+
1
ln(t)
t2dt.
Cherchons un α > 1 tel que ln(t)
t2=o1
tα:
ln(t)
t2=o1
tαtαln(t)
t2
t+0ln(t)
t2α
t+02α > 0α < 2
Il suffit de choisir un α]1,2[, par exemple α=3
2.
ln(t)
t2=o1
t3/2
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Khˆagne B/L Correction Exercices Chapitre 10 - Int´egrales impropres
Or, Z+
1
1
t3/2dt converge (Inegrale de Riemann), donc par th´eor`eme de n´egligeabilit´e de fonctions
positives, on en d´eduit que Z+
1
ln(t)
t2dt converge, et enfin par ´equivalence de fonctions positives, on
en d´eduit que Z+
1
ln(t)
t2+ 1dt converge ´egalement.
Puisque Z1
0
f(t)dt et Z+
1
f(t)dt convergent, on en d´eduit donc que
Z1
0
ln(t)
t2+ 1dt converge
4. Convergence de Z+
0
et2dt
La fonction t7→ et2est continue et positive sur [0,+[.
De plus,
t2et2=t2
et2
t+0 =et2=o1
t2
Puisque Z+
1
1
t2dt converge (Inegrale de Riemann), on en d´eduit par n´egligeabilit´e de fonctions positives
que l’int´egrale Z+
1
et2dt converge.
Puisque l’int´egrale Z1
0
et2dt ne pose pas de probl`eme (int´egrale d’une fonction continue sur le segment
[0,1]), par somme on a que :
Z+
0
et2dt converge
5. Convergence de Z+
0
2 + ln(t)
t+ 4 dt
La fonction t7→ 2 + ln(t)
t+ 4 est continue sur ]0,+[, on a donc a priori des probl`emes en 0 et en +
Etude de Z1
0
2 + ln(t)
t+ 4 dt.
La fonction t7→ 2+ln(t)
t+4 est continue sur ]0,1] (mais pas forc´ement positive) et
2 + ln(t)
t+ 4
t0+|ln(t)|
4
Or, Z1
0|ln(t)|dt converge, donc par th´eor`eme d’´equivalence des fonctions positives, l’int´egrale Z1
0
2 + ln(t)
t+ 4
dt
converge et donc l’int´egrale Z1
0
2 + ln(t)
t+ 4 dt converge ´egalement.
Etude de Z+
1
2 + ln(t)
t+ 4 dt.
La fonction t7→ 2+ln(t)
t+4 est continue sur [1,+[ et positive, et
2 + ln(t)
t+ 4
t+
ln(t)
t
2011-2012 Lyc´ee du Parc 5/16
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