I. Calculer 1˚. ∫ 2˚. ∫ dx 1 + x2 3˚. ∫ ln x dx 4˚. ∫ ln 1 x dx 5˚. ∫ 1

MATHEMATIQUES TD N˚6 : INTEGRALES GENERALISEES
R&T Saint-Malo - 1ère année -2009/2010
I. Calculer
1˚. Z+
0
xexdx 2˚. Z+
1
dx
1 + x23˚. Z1
0
ln x dx 4˚. Z1
0
ln 1
xdx
5˚. Z+
0
1
x(1 + x)dx 6˚. Z1
0
dx
x7˚. Z2
1
dx
x18˚. Z+
1
dx
x2
9˚. Z0
1
ex
1exdx 10˚. Z2
1
x2
x21dx 11˚. Z+
2
1
(x1)2dx 12˚. Z+
0
x7
1 + x16 dx
13˚. Z+
0
ex
xdx 14˚. Z+
1
dx
x2(x+ 1) 15˚. Z+
−∞
dx
ch x 16˚. Z+
0
dx
1 + x3
17˚. Z1
0
ln x
(1 + x)2dx 18˚. Z+
1
ln x
x2dx 19˚. Z+
0
xex2dx 20˚. Z+
−∞
dx
x4+x2+ 1
II. Calculer par changement de variables
1˚. Z+
0
ex
1 + e2xdx u =ex2˚. Z1
1
dx
(x+ 2)x+ 1 u=x+ 1 3˚. Z4
0
x
16 x2dx sin u=x
4
4˚. Z+
1
dx
(1 + x2)2x= tan u5˚. Z+
0
dx
(1 + x2)xu=x6˚. Zπ
0
dx
1 + sin xt= tan x
2
7˚. Z+
−∞
dx
p(x22x+ 2)3x= 1 + sh(u)8˚. Z+
0
x
(1 + x4)2dx u =x29˚. Z+
0
dx
x2+xu=x
III. Nature des intégrales
1˚. Z+
0
dx
1 + x32˚. Z1
0
1 + x
px(1 + 2x)dx 3˚. Z+
0
x
1 + xdx 4˚. Z+
0
x
1 + x2dx
5˚. Z1
0
dx
1x26˚. Z1
0
dx
ln x7˚. Z+
0
(e1
x1) dx 8˚. Zπ
2
0
xsin x
1cos xdx
9˚. Zπ
2
0
sin x
1cos xdx 10˚. Z+
1
sin x
x2dx 11˚. Z+
0
sin x
xdx 12˚. Z+
1
sin x
xdx
13˚. Z+
0
sin(x2)dx 14˚. Z+
1
xsin(x2)dx 15˚. Z1
0
sin 1
xdx 16˚. Z+
2
sin x
x(ln x)2dx
17˚. Z1
0
ln(1 + x)
excos xdx 18˚. Z1
0
dx
excos x19˚. Z+
1
ln(1 + 1
x)
x2+ 1 dx 20˚. Z+
0
sin 1
x2
ln(1 + x)dx
21˚. Z1
0
e1
x+sin xln x
xdx 22˚. Z+
e2
dx
xln xln ln x23˚. Z1
1
2
dx
x(1 x3)2/324˚. Z1
0
1ex
xxdx
25˚. Z+
0
(sin x
x)6/5dx 26˚. Z+
0
xx
1 + x3dx 27˚. Z3
2
dx
x228˚. Z2
1
dx
x21
IV. La fonction Gamma d’Euler
On pose Γ(x) = Z+
0
tx1etdt
1˚. Démontrer que Γ(x)existe si et seulement si x > 0.
2˚. Démontrer que Γ(x+ 1) = xΓ(x)x > 0et en déduire Γ(n)nN.
3˚. En supposant que Γest continue sur ]0,+[donner un équivalent de Γ(x)en 0.
4˚. Calculer lim
x+Γ(x)
V.
Soient I=Zπ
2
0
ln sin x dx,J=Zπ
2
0
ln cos x dx,K=Zπ
0
ln sin x dx et L=Z+
0
(arctan x
x)2dx
1˚. Montrer que I,J,Ket Lsont convergentes.
2˚. Montrer que I=J=K
2, puis que I+J=K
2π
2ln 2
3˚. En déduire K,Iet J.
1
4˚. Calculer M=Zπ
2
0
u2
sin2udu.
5˚. En déduire Len posant u= arctan x
VI.
Pour αR, on pose Iα=Z+
1
x2α
1 + x2dx et Jα=Z+
1
ln(1 + x2)
xαdx
1˚. Calculer Z+
1
dx
1 + x2,Z+
1
dx
x(1 + x2),Z+
1
dx
x(x+ 1) et en déduire I2et I3.
2˚. Pour quelles valeurs de αl’intégrale Iαest-elle convergente ?
3˚. En effectuant une intégration par parties, montrer que Jα=2Iα+ ln 2
α1
4˚. En déduire J2et J3.
VII.
Soit In=Zπ
0
cotanx
2sin nx dx pour nN
Soit fla fonction 2π-périodique paire définie sur ]0,2π[par f(x) = ln(2 sin x
2)
1˚. Faire l’étude complète de f
2˚. En utilisant l’exercice du CR 99/00, montrer que Zπ
0
ln(2 sin x
2)dx = 0
3˚. Montrer que cotan(x
2)×[sin((n+ 1)x)sin(nx)] = cos(nx) + cos((n+ 1)x)
4˚. En déduire que In=πnN
5˚. En effectuant une intégration par parties, en déduire les coefficients de Fourier de f
6˚. fvérifie-t-elle les hypothèses du théorème de Dirichlet ?
8˚. Calculer
+
X
n=1
(1)n+1
n
VIII.
Soient In=Z+
0
tnetdt et Jn=Z+
0
xnexdx pour nN
1˚. Calculer I0,I1,I2et exprimer In+1 en fonction de In
2˚. En déduire la valeur de Inpour tout nN
3˚. Exprimer Jnen fonction de Inet en déduire la valeur de J0,J1,J2
IX.
Soit In=Z+
0
dx
(x2+ 1)npour nN
1˚. Calculer I1et déterminer In+1 en fonction de In
2˚. En déduire I2et I3puis démontrer que In=(2n2)!
4n1(n1)!2
π
2pour n1
X.
Soient f(t) = tln t
1t,I=Z1
0
ln t
1tdt,In=Z1
0
tnln tdt et Jn=Z1
0
tntln t
1tdt pour nN
1˚. Calculer lim
x0+f(t) lim
x1
f(t)
2˚. Montrer que fest bornée sur [0,1] et qu’il existe M > 0tel que : x[0,1],0f(x)M
3˚. Montrer que JnM
n+ 1 et calculer lim
n+Jn
4˚. Montrer que In=1
(n+ 1)2,
n
X
k=0
Ik=Z1
0
1tn+1
1tln tdt =I+Jn, puis que I=
n
X
k=0
IkJn
5˚.En déduire que
Z1
0
ln t
1tdt =π2
6
XI. Calcul de Z+
0
sin t
tdt
Soit f(x) = Zx
0
sin t
tdt et I=Z+
0
sin t
tdt
1˚. Montrer que Iest convergente.
2
2˚. Montrer que fest impaire et continue sur R
3˚. Déterminer les variations de f
On pose, pour nN,Jn=Zπ/2
0
sin((2n+ 1)t)
sin tdt et Kn=Zπ/2
0
sin((2n+ 1)t)
tdt
4˚. Calculer Jn+1 Jnet en déduire Jnn
5˚. Montrer que lim
n+(JnKn) = 0 en utilisant le lemme de Riemann-Lebesgue avec la fonction g(t) = 1
sin t1
t
6˚. En déduire lim
n+Kn
7˚. Montrer que I=π
2et étudier la fonction f
XII.
On pose, pour tout entier n1,In=Z/2
0
sin2t
n2sin2(t/n)dt,Jn=Zπ/2
0
sin2(nx)
sin2xdx et Kn=Zπ/2
0
sin((2n1)x)
sin xdx
Soient également I=Z+
0sin t
t2
dt et g(x) = 1
sin2x1
x2une fonction définie sur ]0, π/2].
1˚. Montrer que Iest convergente.
2˚. Montrer que gest bornée sur ]0, π/2]. En déduire que lim
n+In=I
3˚. Montrer que Jnet Knsont convergentes pour tout n1
4˚. Calculer Kn+1 Knet vérifier que Jn+1 Jn=Kn+1 n1. En déduire Knet Jn
5˚. Trouver une relation entre Inet Jn. En déduire la valeur de I
6˚. En intégrant par parties, en déduire la valeur de Z+
0
sin t
tdt
XIII.
Soit f(x) = exln(1 + ex)et I(α) = Zα
0
f(x)dx
1˚. Montrer que f(x)0et que I(α)0
2˚. Déterminer aet btels que ex
1 + ex=a+b
1 + ex; en déduire J(α) = Zα
0
dx
1 + ex
3˚. Calculer f+f; en déduire I(α)
4˚. Calculer lim
α+I(α)et lim
α+J(α)
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