3-11- 2009 J.F.C. p. 1
EM LYON 2009 S J.F. COSSUTTA Lyc´ee Marcelin BERTHELOT SAINT-MAUR
jean-francois.cossutta@wanadoo.fr
PROBL`
EME 1
Partie I - Calcul d’une int´egrale
1. fa,b :xeax ebx
xest continue sur ]0,+[.
Au voisinage de 0 : eax = 1 ax +o(x) et ebx = 1 bx +o(x) donc eax ebx = (ba)x+o(x).
Ainsi eax ebx
x= (ba) + o(1) au voisinage de 0. Dans ces conditions lim
x0fa,b(x) = ba.
fa,b est donc prolongeable par continuit´e en 0. Par cons´equent Z1
0
fa,b(x) dxconverge.
aet bsont strictement positifs donc lim
x+x2fa,b(x)= lim
x+1
a
ax
eax 1
b
bx
ebx = 0 par croissance
compar´ee.
On a donc ´egalement lim
x+x2|fa,b(x)|= 0 et ainsi |fa,b(x)|=o1
x2au voisinage de +.
De plus Z+
1
dx
x2converge et, |fa,b|et x1
x2sont positives sur [1,+[.
Les r`egles de comparaison sur les int´egrales g´en´eralis´ees de fonctions positives montrent alors la convergence
de Z+
1
fa,b(x) dx.
Finalement Z+
0
fa,b(x) dxconverge.
Z+
0
eax ebx
xdxconverge.
2. a. Soit (ε, X) un ´el´ement de ]0,+[2tel que ε6X.
Notons que xeax
xest continue sur [ε, X] et que la fonction xax est de classe C1sur R. Ceci autorise
le changement de variable y=a x dans ce qui suit.
ZX
ε
eax
xdx=ZaX
ey
y/a
1
ady=ZaX
ey
ydy.
De mani`ere analogue on obtient : ZX
ε
ebx
xdx=ZbX
ey
ydy.
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Pour tout (ε, X) appartenant `a ]0,+[2tel que ε6X:
ZX
ε
eax
xdx=ZaX
ey
ydyet ZX
ε
ebx
xdx=ZbX
ey
ydy.
b. Soit (ε, X) un ´el´ement de ]0,+[2tel que ε6X.
ZX
ε
eax ebx
xdx=ZX
ε
eax
xdxZX
ε
ebx
xdx=ZaX
ey
ydyZbX
ey
ydy.
ZX
ε
eax ebx
xdx=Z
ey
ydy+ZaX
ey
ydyZaX
ey
ydyZbX
aX
ey
ydy.
ZX
ε
eax ebx
xdx=Z
ey
ydyZbX
aX
ey
ydy.
Pour tout (ε, X) appartenant `a ]0,+[2tel que ε6X:
ZX
ε
eax ebx
xdx=Z
ey
ydyZbX
aX
ey
ydy.
3. a. y1eyet y1
ysont continues sur ]0,+[. Par produit hest continue sur ]0,+[.
eu1
u0u. Alors ey1
y0ydonc 1 ey
y0y. Finalement 1ey
y
y01.
Alors lim
y0
1ey
y= 1 = h(0). Ceci suffit tr`es largement pour dire que hest continue en 0.
L’application hde [0,+[ dans Rd´efinie par y[0,+[, h(y) =
1ey
ysi y6= 0
0 si y= 0
est continue
sur [0,+[.
b. Soit εun r´eel strictement positif.
hest continue sur [0,+[. Consid´erons alors une primitive Hde hsur [0,+[.
Z
ey
ydy=Z
ey1
ydy+Z
1
ydy=Z
h(y) dy+hln |y|i
=H()H() + ln(||)ln(||).
Z
ey
ydy=H()H() + ln()ln()=H()H() + ln
=H()H() + ln b
a·
Or Hest continue en 0 donc lim
ε0+H()H()=H(0) H(0) = 0.
Donc lim
ε0+Z
ey
ydy= lim
ε0+H()H() + ln b
a= ln b
a·
lim
ε0+Z
ey
ydy= ln b
a·
c. Soit Xun ´el´ement de ]0,+[.
J.F.C. p. 3
ε]0, X],ZX
ε
eax ebx
xdx=Z
ey
ydyZbX
aX
ey
ydy.
Ce qui pr´ec`ede montre alors que :
lim
ε0+ZX
ε
eax ebx
xdx= lim
ε0+ Z
ey
ydyZbX
aX
ey
ydy!= ln b
aZbX
aX
ey
ydy.
Donc ZX
0
eax ebx
xdx= ln b
aZbX
aX
ey
ydy.
Pour tout ´el´ement Xde ]0,+[, ZX
0
eax ebx
xdx= ln b
aZbX
aX
ey
ydy.
d. Soit Xun ´el´ement de ]0,+[.
Nous avons vu que Z+
1
ey
ydyconverge donc pour tout r´eel zstrictement positif Z+
z
ey
ydyconverge
´egalement.
Alors ZbX
aX
ey
ydy=Z+
aX
ey
ydyZ+
bX
ey
ydycar ces deux inegrales convergent puisque aX et bX sont
des r´eels strictement positifs.
De plus lim
X+Z+
aX
ey
ydy= 0 (resp. lim
X+Z+
bX
ey
ydy= 0) comme reste d’une inegrale convergente.
Ainsi lim
X+ZbX
aX
ey
ydy= lim
X+Z+
aX
ey
ydyZ+
bX
ey
ydy= 0 0 = 0.
Donc lim
X+ZX
0
eax ebx
xdx= lim
X+ ln b
aZbX
aX
ey
ydy!= ln b
a·Finalement :
Z+
0
eax ebx
xdx= ln b
a·
Partie II - ´
Etude d’un produit scalaire
1. Notons E0l’espace vectoriel r´eel des applications de [0,+[ dans R.
Eest contenu dans E0.
Posons x[0,+[, f0(x) = 0. f0est born´ee sur [0,+[, f0est de classe C1sur [0,+[ et f0(0) = 0.
Ainsi f0est un ´el´ement de Edonc En’est pas vide.
Soient fet gdeux ´el´ements de Eet soit λun r´eel.
 f (resp. g) est born´ee sur [0,+[. Donc il existe un r´eel positif Mf(resp. Mg) tel que
x[0,+[,|f(x)|6Mf(resp. x[0,+[,|g(x)|6Mg).
J.F.C. p. 4
x[0,+[,|λ f(x) + g(x)|6|λ||f(x)|+|g(x)|6|λ|Mf+Mgdonc λ f +gest born´ee sur [0,+[.
 f et gsont de classe C1sur [0,+[ donc λ f +gest de classe C1sur [0,+[.
(λ f +g)(0) = λ f (0) + g(0) = λ×0 + 0 = 0.
Par cons´equent λ f +gappartient `a E. Ceci ach`eve de montrer que :
Eest un sous-espace vetoriel de l’espace vectoriel r´eel des applications de [0,+[ dans R.
2. • ∀x[0,+[,|f1(x)|=|sin x|61 donc f1est born´ee sur [0,+[.
f1est de classe C1sur [0,+[ car sin est de classe C1sur R.
f1(0) = sin 0 = 0.
Donc f1appartient `a E.
f2(0) = cos 0 = 1 6= 0. f2n’appartient pas `a E.
lim
x+f3(x) = lim
x+(ex1) = +donc f3n’est pas born´ee sur [0,+[. f3n’appartient pas `a E.
• ∀x[0,+[,06ex61 donc x[0,+[,06f4(x) = 1 ex61. f4est born´ee sur [0,+[.
x1exest de classe C1sur Rdonc f4est de classe C1sur [0,+[.
f4(0) = e01 = 0.
Par cons´equant f4appartient `a E.
f1et f4sont deux ´el´ements de E.f2et f3n’appartiennent pas `a E.
3. a. Soit fun ´el´ement de E.fest de classe C1sur [0,+[. Donc fest d´erivable en 0.
En remarquant que fest nulle en 0 il vient : lim
x0
f(x)
x= lim
x0f(x)f(0)
x0=f0(0).
Pour tout ´el´ement fde E: lim
x0
f(x)
x=f0(0) .
b. Soient fet gdeux ´el´ements de E. Posons x]0,+[, ϕ(x) = f(x)g(x)
x2·
ϕest continue sur ]0,+[ car f,get x1
x2sont continues sur ]0,+[.
lim
x0ϕ(x) = lim
x0
f(x)g(x)
x2= lim
x0f(x)
x
g(x)
x=f0(0) g0(0).
Ainsi ϕest prolongeable par continuit´e en 0 donc Z1
0
ϕ(x) dxconverge.
f(resp. g) est born´ee sur [0,+[. Donc il existe un r´eel positif Mf(resp. Mg) tel que
J.F.C. p. 5
x[0,+[,|f(x)|6Mf(resp. x[0,+[,|g(x)|6Mg).
x[1,+[,06|ϕ(x)|=|f(x)||g(x)|
x26MfMg
x2et Z+
1
MfMg
x2dxconverge (car Z+
1
dx
x2converge).
Les r`egles de comparaison sur les int´egrales g´en´eralis´ees de fonctions positives montrent alors la convergence
de Z+
1|ϕ(x)|dx.Z+
1
ϕ(x) dxest absolument convergente donc convergente.
Finalement Z+
0
ϕ(x) dxconverge.
Si fet gsont deux ´el´ements de E,Z+
0
f(x)g(x)
x2dxconverge.
4. Notons que pour tout ´el´ement (f, g) de E2, (f|g) appartient `a R.
Soient f,get trois ´el´ements de E. Soit λun r´eel.
(λ f +g|) = Z+
0λ f(x) + g(x)(x)
x2dx=Z+
0
λ f(x)(x) + g(x)(x)
x2dx.
(λ f +g|) = λZ+
0
f(x)(x)
x2dx+Z+
0
g(x)(x)
x2dx=λ(f|)+(g|) car toutes les int´egrales convergent.
(f, g, )E3,(λ f +g|) = λ(f|)+(g|).
Soient fet gdeux ´el´ements de E. (f|g) = Z+
0
f(x)g(x)
x2dx=Z+
0
g(x)f(x)
x2dx= (g|f).
(f, g)E2,(f|g) = (g|f).
Soit fun ´el´ement de E.x]0,+[,f(x)f(x)
x2>0 donc (f|f) = Z+
0
f(x)f(x)
x2dx>0.
fE, (f|f)>0.
Soit fun ´el´ement de Etel que (f|f) = 0.
Z+
0f(x)2
x2dx= 0.
x f(x)2
x2est continue sur ]0,+[.
x f(x)2
x2est positive sur ]0,+[.
06= +!
Les quatre points pr´ec´edents permettent de dire que x]0,+[,f(x)2
x2= 0.
Alors x]0,+[,f(x)2= 0 donc x]0,+[, f (x) = 0.
Comme f(0) = 0 : x[0,+[, f(x) = 0. Ainsi f= 0E.
fE, (f|f) = 0 f= 0E.
Les cinq points pr´ec´edents montrent que :
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