D´
ERIVATION ET INT´
EGRATION
1. D´
erivation des fonctions `
a valeurs vectorielles
1.1. eriv´ee en un point, fonctions de classe C1.
Exercice 1.1.1.I
Soit f: ]a, a[Fespace vectoriel norm´e de dimension finie continue en 0 et telle qu’il existe
k > 0, k6= 1 tel que
lim
x0
f(x)f(kx)
x=L.
Montrer que fest d´erivable en 0.
Exercice 1.1.2.D
Si f: [a, b]Fespace vectoriel norm´e, on suppose que fadmet une d´eriv´ee `a droite en a.
Montrer, en utilisant la convexit´e de la norme, que kfkadmet une d´eriv´ee `a droite en a.
1.2. Fonctions de classe Ck.
Exercice 1.2.1.F
Soit f:RCcontinue et (a, b)R2,a < b ; on pose :
g(x) = Zb
a
f(tx)eit dt.
Montrer que gest de classe C1sur R.
Exercice 1.2.2.F
Soit El’ensemble des fonctions r´eelles de classe C1sur [0,1]. A toute fonction fde E, on
associe la fonction g=L(f) par :
x[0,1], g(x) = Zx
0
(xt)n
n!f(t) dt n N.
Montrer que Lest un endomorphisme de E. Quels sont ses ´el´ements propres ?
Exercice 1.2.3.I
Pour x > 0, on pose f(x) = Z1
0
et
t+xdt.
(1) Montrer que fest d´ecroissante, continue, d´erivable.
(2) D´eterminer lim
x+f(x) et lim
x0+f(x) ; donner dans les 2 cas un ´equivalent de f(on
montrera que lim
x0+(f(x) + ln x) existe et vaut Z1
0
et1
tdt).
1
2 D ´
ERIVATION ET INT´
EGRATION
2. Int´
egration sur un intervalle quelconque
2.1. Fonctions int´egrables `a valeurs positives.
Exercice 2.1.1.F
D´emontrer que Z+
1
x[x]
x2dxest bien d´efinie et, en fonction de γ= lim
n+n
P
k=1
1
kln n,
calculer cette inegrale .
γest ce qu’on appelle la constante d’Euler et vaut `a peu pr`es 0,577.
Exercice 2.1.2.F T
Soit nN, on pose un=Z+
0
dx
(1 + x2/n2)n2.
Montrer que unest bien d´efinie et que lim
n+un=π
2.
Exercice 2.1.3.I
Calculer, pour nNet t > 0, In=Z+
0
ex/txndx.
Montrer que, pour a > 0, on a :
Z+
a
ex/txndx < ea/(2t)n!(2t)n+1.
Exercice 2.1.4.I
Soit f:R+R+une fonction continue par morceaux, born´ee, telle que
xR+, f(x)6a
3Zx
0
ea(xt)f(t) dt+a
3Z+
x
ea(xt)f(t) dt+1
3eax/2, a > 0.
Montrer que f(x) tend vers 0 quand xtend vers +.
Exercice 2.1.5.D
Soit f∈ C(]0,+[,]0,+[) de carr´e inegrable sur ]0,+[.
(1) Pour x > 0 fix´e, montrer que t7→ f(t) est inegrable sur ]0, x].
On pose g(x) = Zx
0
f(t) dt.
(2) Soit 0 < a < b, on d´efinit
z= Zb
ag(x)
x2
dx!1/2
, α =Zb
a
f2(t) dt1/2
, β =(g(a))2
a.
Montrer que z22αz β60.
En d´eduire l’existence de I=Z+
0g(x)
x2
dx.
Trouver keel tel que I6kZ+
0
f2(t) dt.
D´
ERIVATION ET INT´
EGRATION 3
Exercice 2.1.6.I
´
Etudier pour tout (α, β)R2la nature de la s´erie Puno`u
un=nZ+
n
et
tαdtβ
pour n>1.
Exercice 2.1.7.I
Montrer que
lim
x1+(x1)
+
X
n=1
1
nx= 1.
Exercice 2.1.8.F
Soit Fune fonction positive, d´ecroissante de [0,+[ dans Ret inegrable sur R+. Montrer
que :
lim
h0+
+
X
n=1
hF (nh) = Z+
0
F(t) dt
(poser g(h) =
+
P
n=1
hF (nh)).
Exercice 2.1.9.F
´
Etudier la suite an=P(n)
S(n)o`u P(n) = Zn
0
F(t) dtet S(n) =
n
P
p=0
F(p).
(1) Dans le cas o`u Fa une limite non nulle en +.
(2) Dans le cas o`u Fd´ecroˆıt vers 0 en +(on ´etudiera s´epar´ement les cas selon que F(t)
est ou non inegrable sur [0,+[).
Exercice 2.1.10.F
Soit fla fonction d´efinie par f(0) = 0 et pour x6= 0 par :
f(x) = xZx
0
etdt
p|t|.
(1) Montrer que fest de classe C1sur R.
(2) ´
Etudier ses variations, les branches infinies et la concavit´e du graphe (on admet que
Z+
0
ex2dx=π
2).
Exercice 2.1.11.F
On d´efinit f:R+\NRpar f(x) = exln(xn) sur ]n, n + 1[.
Montrer, `a l’aide d’une s´erie, que Z+
0
f(t) dtest d´efinie.
4 D ´
ERIVATION ET INT´
EGRATION
Exercice 2.1.12.I
On pose In=Z+
0
t3ent
1 + t4dt,nN.
´
Etudier lim
n+Inet trouver un ´equivalent de Inquand ntend vers +.
Exercice 2.1.13.I
´
Etudier l’int´egrabilit´e sur [1,+[ de t7→ eεt
t2+ 1. On pose
I(ε) = Z+
1
eεt
t2+ 1 dt.
D´emontrer que, lorsque ε > 0 tend vers 0, I(ε) est ´equivalent `a ln ε.
2.2. Fonctions int´egrables `a valeurs complexes.
Exercice 2.2.1.I
Soit f∈ C1(R,R) nulle sur un voisinage de +, montrer que
Z+
0
f2(t) dt62Z+
0
tf2(t) dt1/2
.Z+
0
tf2(t) dt1/2
.
Par quelles hypoth`eses remplacer ”fnulle sur un voisinage de + pour que cette in´egalit´e
soit toujours valable ?
Exercice 2.2.2.F
(1) eterminer les r´eels λtels que la suite In(λ) = Zπ
0
cos nt
12λcos t+λ2dtsoit d´efinie.
(2) ´
Etudier les propri´et´es des applications λIn(λ).
(3) Calculer I0(λ) et I1(λ).
(4) Chercher une relation entre In1(λ), In(λ) et In+1(λ).
(5) En d´eduire l’expression de In(λ).
Exercice 2.2.3.I
´
Etudier l’int´egrabilit´e sur ]0,+[ ou [0,+[ des fonctions :
1. xsin(1/x2)
ln(1 + x)2. x+ 1 x2+ 2x+ 2
3. sin x
xα4. sin(x2)
Exercice 2.2.4.I
Calcul de :
(1) I=Zπ/2
0
ln(sin t) dtet J=Zπ/2
0
ln(cos t) dt.
(2) I=Z+
0Arctan t
t2
dt(poser u= Arctan tet utiliser le 1.).
D´
ERIVATION ET INT´
EGRATION 5
(3) I=Z+
0
dt
pt(1 + t)3.
(4) I=Zπ
0
dt
acos t.
(5) I=Z+
−∞
x2
1 + x4dx(calculer 1
2lim
X+Z+X
X
g(x) dxo`u g(x) = x
1x2 + x2).
(6) I(a) = Za
0
xdx
p(a2x2)(1 + x2)a > 0.
(7) I=Z+
−∞
dx
(x2+ 1)x2+ 4.
(8) I(α) = Z+
1
dx
(xcos α)x21.
Exercice 2.2.5.I C
Soit fune application de [0,+[ dans R, uniform´ement continue inegrable sur [0,+[.
(1) Montrer que lim
x+f(x) = 0 (par l’absurde).
(2) En d´eduire que Z+
0
f2(t) dtexiste.
Exercice 2.2.6.F C
(1) Soit f:x7→ xn
p(ax)(bx)avec a < b, montrer que fest int´egrable sur ]a, b[. On
pose In(a, b) = Zb
a
xn
p(ax)(bx)dx.
(2) Montrer que :
In(a, b) = π
[n/2]
X
p=0
n!
2n+2p(n2p)!(p!)2(a+b)n2p(ba)2p.
Exercice 2.2.7.F
Soit f: [1,+[Cde carr´e int´egrable.
Montrer que f(t)
test inegrable sur [1,+[.
Exercice 2.2.8.F
Soit f∈ C(R,R), 2T-p´eriodique ; on pose a=1
2TZ2T
0
f(t) dt.
(1) Si F(t) = Zt
0
(f(u)a) dualors montrer que Fest 2T-p´eriodique.
(2) En d´eduire que Z+
1
f(t)a
tdtest convergente et que Z+
X
f(t)a
tdt=O1
X.
(3) On suppose fpaire ; soit G(t) = Zt
0
F(u) du: montrer que Gest 2T-p´eriodique et que
Z+
nT
f(t)a
tdt=O1
n2.
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