B I / Calculs plus ou moins subtils E . — Calculer les intégrales

Bcpst 1 Intégration 2/2017
Calculs plus ou moins subtils
Ex. 1
Calculer les intégrales suivantes (
n
N)
Z1
0
xndxZ1
0
nxn1dx
Z1
0
(x+1)ndxZ1
0
(2x+1)ndx
Z2
1
1
xndxZ1
0
xn/2dx
Z1
0
3x2+2x+1dxZ1
0
3(x+2)(x5)dx
tan x
cos2x
Ex. 2
Calculer les intégrales suivantes, à
l’aide d’une intégration par parties. Préciser l’en-
semble de valeurs de x.
1. Zx
0
Arctan tdt
2. Zπ/4
0
cos xln(1+cos x)dx
3. Zx
0
tln tdt
4. Zx
0
tsin(t)dt
Ex. 3
Calculer les primitives des fonctions
suivantes, en utilisant un changement de va-
riables. Préciser à chaque fois un domaine de va-
lidité.
1. x7→ 1
x2+a2avec t=x/a;
2. x7→ x2ln(x61)avec u=x3;
3. x7→ cos3xavec sin x=u;
4. x7→ x
1+x4avec u=x2.
Ex. 4 Calculer les primitives suivantes
1. Zt2+3
(t+1)4dt
2. Zx3
1+x4dx
3. Zdt
t(t7+1)
(Trouver
a,b
tels que
1
u(1+u)=a
u+b
1+u
pour transfor-
mer t6
t7(1+t7).)
4. Zsin tcos5tdt
5. ZArctan(t1/2)dt
6. Zdt
(t2+1)2(poser t=tanu)
7. Z2x+1
x2(x+1)2dx(Poser u=x(x+1).)
8. Zxnln xdx(nN)
9. Zdx
p1+xx2
10. ZArctan xdx
?Ex. 5 Calculer les intégrales suivantes
I1=Z4
3
2x4
x23x+2dx I2=Zπ/3
π/4
sin4x
cos6xdx
I3=Z1
0
1
ex+1dx I4=Zπ/4
0
xtan2xdx
I5=Z1
0
a3xexdx I6=Z1
0p1x2dx
I7=Zπ/2
0
sin2xecos xdx I8=Z5
2
x
px1dx
I9=Rπ/4
0x(tan2x+tan4x)dx
Ex. 6 Calculer les intégrales suivantes
1. Zπ
2
0
sin3xcos x
1+cos2xdx(Poser u=sin x.)
2. Z1
0
e2tln(1+et)dt(Poser u=et.)
3. Zdx
sin x
(Poser
t=tan(x/2)
.) En déduire
Zp3
1
dx
xp1+x2(Poser x=tan t.)
4. Z1
0
2e2x+ex+1
e2x+1dx
(Utiliser
2u2+u+1
u(u2+1)=a
u+bu +c
u2+1
pour
a,b,c
bien choisis.)
Ex. 7 — 1.
Soit
f:x7→ 1
(x1)(x5)
.
Donner une primitive de fsur ]1 ; 5[.
On trouvera deux réels aet btels que
x]1 ; 5[,1
(x1)(x5)=a
x1+b
x5
2. Calculer une primitive de 1
x25x6.
Fonctions définies par morceaux
Ex. 8 1. Calculer Z1
04x+1
2dx.
2. Calculer Z1
0
supx,(x1)2dx.
Ex. 9 On considère la fonction
f:RR
x7−
ex1
xx0
cos xsinon
.
Démontrer que
f
est continue sur
R
. En expliciter
la primitive qui s’annule en 1.
Ex. 10 — Soit
f:RR
x7−
ln(1+x2)
x2x<0
cos x
exsinon.
Démontrer que
f
admet des primitives sur
R
. Cal-
culer ces primitives.
Ex. 11
Expliciter une primitive de
x7→ bxc
sur R.
Astuces diverses
Ex. 12
Soient
a,b,c,d
quatre réels. Soient les
primitives
I=Zacos x+bsin x
ccos x+dsin xdx
J=Zcos x
ccos x+dsin xdx
K=Zsin x
ccos x+dsin xdx
1. Calculer cJ +dK et dJ cK.
2. En déduire Jet K, puis I.
Ex. 13 1. Soit à calculer
In=Zπ/2
0
sin(2n+1)x
sin xdx,(nN).
Calculer
In+1In
. En déduire la valeur de
In
pour tout n.
2. Reprendre la question précédente avec
Jn=Zπ/2
0
sin2nx
sin xdx,(nN)
Ex. 14 Montrer que
Zπ/4
0
ln(cos x)dx=Zπ/4
0
lncosπ
4x dx
En déduire la valeur de Zπ/4
0
ln(1+tan x)dx.
Intégrale et inégalités
Ex. 15
Soit
I=Z+a
av
t1+x2
a2x2dx
. En en-
cadrant v
t1+x2
a2x2, calculer lim
a0I.
Réponse : π
Ex. 16 1. Montrer que
kN,1
k+1Zk+1
k
1
xdx1
k.
2.
On pose pour
nN
,
un=
n
X
k=1
1
k
. Mon-
trer que
unln n
. Quelle est la limite de
(un)nN?
2
3.
Soit
vn=unln n
. Montrer que
vn
est
bornée, puis étudier sa monotonie (étudier
vn+1vn). Que peut on dire de vn?
Ex. 17
Soit
f
une fonction continue sur
[0 ; 1].
Montrer que lim
x0
1
xZx
0
t f (t)dt=0.
Fonctions définies par des intégrales
Ex. 18
Soit
a
et
b
dans
[0 ; π/2[
. Démontrer
que
Zb
a
1
cos xsin xdx=lntan b
tan a
Ex. 19 Étude de la fonction f:x7→ Z2x
x
et
tdt.
1.
Montrer que
f
est définie, continue et déri-
vable sur Ret calculer f0.
2. Montrer
xR
+,(ln2)exf(x)(ln2)e2x.
3.
Calculer la limite de
f(x)
lorsque
x0
et
x>0
. Même question lorsque
x0
et
x<0.
4.
Peut on prolonger
f
par continuité en
0
? Si
oui, étudier la dérivabilité du prolongement
de fen 0.
5.
Étudier les branches infinies de
f
. Tracer
schématiquement son graphe.
Ex. 20
Calculer la limite quand
x
tend vers
+de x7→ Z2x
x
dt
p1+t2+t4.
Indication :Étudier la monotonie de la fonction
t7→
1
p1+t2+t4et en déduire un encadrement de l’intégrale.
Ex. 21 — Soit
g:RR
x7−Z2x
x
t2
t2+sin2tdt
1. Montrer que gest C1sur R.
2.
Déterminer le comportement asymptotique
de gen +.
Ex. 22
Soit
f
la fonction définie sur
R
par
f(t) = t3+t.
1.
Démontrer que
f
admet une fonction réci-
proque gsur R.
2.
Soit
G
la fonction définie sur
R
par
G(x) =
Rx
0g(y)dy. Calculer Gen fonction de g.
Indication :Utiliser un changement de variable.
Sommes de Riemann
Ex. 23 Calculer lim
n+Snquand
Sn=
n
X
k=1
n+k
n2+k2
;
Sn=
n
X
k=1
k2
n2pn3+k3
;
Sn=
n
X
k=1
k
n2sinkπ
n+1
;
Sn=
n
X
k=1
1
ksinkπ
n+1
;
Sn=1
n
n
v
u
t
n
Y
k=1
(n+k)
;
Sn=
n
X
k=1
sink
nsink
n2.
Exercices classiques
Ex. 24 Intégrales de Wallis
Soit nun entier naturel et
In=Zπ/2
0
sinntdt
1. a) Calculer I0,I1,I2.
b)
Montrer que la suite
(In)nN
est décrois-
sante. Est-elle convergente ?
2. a)
À l’aide d’une intégration par parties,
montrer que
nN,(n+2)In+2= (n+1)In.
b) Calculer nInIn1, pour nN.
3. a)
Montrer que
nN,In
In2
In
In1
1.
b)
Montrer que
lim
n+
In
In1
=1
, et en dé-
duire que InIn1.
3
c)
Utiliser le résultat de la question 2.b
pour en déduire un équivalent de la
suite (In)nN.
Ex. 25
Pour
nN
, on note
In=
Z1
0
xnexdx.
1. a)
Montrer que
nN,0In1
n+1
.
b)
En déduire que la suite
(In)
converge et
donner sa limite.
2.
À l’aide d’une intégration par parties, établir
que nN,In=1
(n+1)e+In+1
n+1.
3. a)
En déduire que
nN,0In
1
(n+1)e1
(n+1)(n+2).
b)
Trouver un équivalent simple de
In
quand ntend vers +.
Ex. 26 Soit nun entier naturel non nul.
1. Montrer que l’on a, pour tout x[0 ; 1]
1
1+x=1x+x2... + (x)n+(x)n+1
1+x
1
1+x2=1x2+x4... + (x2)n+(x2)n+1
1+x2
2.
En intégrant ces égalités sur l’intervalle
[0 ; 1], trouver la limite des suites
sn=11
2+... +(1)n
n+1
et tn=11
3+... +(1)n
2n+1.
Ex. 27
On considère la suite d’intégrales
Jn=
Z1
0
enx
ex+1dxnest un entier positif.
1. Calculer I=Z1
0
ex
ex+1dx.
Exprimer
J0
en fonction de
I
et en déduire
la valeur de J0.
2. Montrer que, pour n¾1,0Jn1
n.
En déduire la limite de la suite (Jn)nN.
3.
Montrer que la suite
(Jn)nN
est décrois-
sante.
En déduire sans calcul supplémentaire que
1
2(Jn+Jn+1)Jn1
2(Jn1+Jn).
4.
Calculer la valeur de
Jn+Jn1
en fonction
de n.
5. En déduire la limite de la suite (nJn)nN.
Pour finir...
Ex. 28 Soit aet bdeux réels avec ab.
1.
Soit
f
et
g
deux fonctions continues sur
[a;b], avec fde signe constant.
a) Démontrer que
hinf
xIg(x)iZb
a
fZb
a
f×gsup
xIg(x)Zb
a
f
b) Démontrer qu’il existe y[a;b]tq
Zb
a
f(x)g(x)dx=g(y)Zb
a
f(x)dx
2.
Soit
f
une fonction de classe
C1
dont la dé-
rivée soit de signe constant sur
[a;b]
, et
g
une fonction continue sur
[a;b]
. Démon-
trer qu’il existe y[a;b]tel que
Zb
a
f g =f(a)Zy
a
g+f(a)Zb
y
g
Indication :Poser
G(x) = Rx
ag(t)dt
, faire une inté-
gration par parties et utiliser la question précédente.
Ex. 29
Soit
J
la fonction définie sur
R
par l’ex-
pression
J(x) = 1
πZπ
0
cos(xsinθ)dθ
En procédant à un changement de variable, mon-
trer que
J
est deux fois dérivable. Déterminer une
équation diérentielle dont Jest solution.
Ex. 30
Soit
F
la fonction définie par
F(x) =
R2x
xt2sin tdt.
1.
Donner l’ensemble de définition de
F
et mon-
trer que
F
est de classe
C
sur cet ensemble.
2. Montrer que Fest une fonction paire.
3. Calculer, pour tout xde R,F(x).
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