Exercices sur l’int´egration sur un segment - Correction 1
Exercice 1:
1. F:x7→ 1
4(1 + x2)2
2. x7→ sin2(x)
2
3. x7→ ln(x)n+1
n+ 1
4. x7→ 2
3(1 + x)3
2
5. x7→ ln(|cos(x)|)
6. cos(x)2=cos(2x)+1
2donc F:x7→ sin(2x)
4+x
2.
7. 1
x+x+ 1 =xx+ 1
x(x+ 1) =x+ 1 xdonc
F:x7→ 2
3((1 + x)3
2x3
2).
8. tan(x)2= tan0(x)1 donc F:x7→ tan(x)x.
Exercice 2: Soient m, n N.
cos(mt) cos(nt) = 1
2cos((mn)t) + cos((m+n)t)
Z2π
0
cos(mt) cos(nt)dt =1
2Z2π
0cos((mn)t) + cos((m+n)t)dt
=1
2Z2π
0
cos((mn)t)dt +Z2π
0
cos((m+n)t)dt
=
sin((mn)t
mn2π
0
+sin((m+n)t
m+n2π
0
si m6=n
t2π
0+sin((m+n)t
m+n2π
0
si m=n
=0 si m6=n
2πsi m=n
Exercice 3:
1. On utilise u0(t)=1
v(t) = arctan(t)ce qui donne u(t) = t
v0(t) = 1
1+t2
. Ces fonctions sont de classe C1sur [0; 1].
Z1
0
arctan(t)dt =t.arctan(t)1
0Z1
0
t
1 + t2dt
=π
41
2[ln(1 + t2]1
0
=π
4ln(2)
2
2. On utilise u0(t)=1
v(t) = ln(1 + t2)ce qui donne u(t) = t
v0(t) = 2t
1+t2
. Ces fonctions sont de classe C1sur [0; 1].
Z1
0
ln(1 + t2)dt =t. ln(1 + t2)1
0Z1
0
2t2
1 + t2dt
= ln(2) 2Z1
0
t2+ 1 1
1 + t2dt
= ln(2) 2Z1
011
1 + t2dt
= ln(2) 2tarctan(t)1
0
= ln(2) 2 + π
2
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Exercices sur l’int´egration sur un segment - Correction 2
3. On utilise u0(t) = t
v(t) = arctan(t)ce qui donne (u(t) = t2
2
v0(t) = 1
1+t2
. Ces fonctions sont de classe C1sur [0; 1].
Z1
0
tarctan(t)dt =t2
2.arctan(t)1
0Z1
0
t2
2(1 + t2)dt
=π
81
2Z1
0
t2
1 + t2dt
=π
81
2Z1
011
1 + t2dt
=π
81
2tarctan(t)1
0
=π
41
2
4. On utilise u0(t) = ch(t)
v(t) = t+ 1 ce qui donne u(t) = sh(t)
v0(t)=1 . Ces fonctions sont de classe C1sur [0; 1].
Z1
0
(t+ 1)ch(t)dt =(t+ 1)sh(t)1
0Z1
0
sh(t)dt
= 2sh(1) [ch(t)]1
0
= 2sh(1) ch(1) + 1
Exercice 4: Lemme de Riemann-Lebesgue
Zb
a
f(t)eintdt =f(t)eint
in b
aZb
a
f0(t)eint
in dt
=f(b)einb
in f(a)eina
in Zb
a
f0(t)eint
in dt
Zb
a
f(t)eintdt
=
f(b)einb
in f(a)eina
in Zb
a
f0(t)eint
in dt
f(b)einb
in
+
f(a)eina
in
+Zb
a
f0(t)eint
in dt
|f(b)|
n+|f(a)|
n+Zb
a
f0(t)eint
in
dt
|f(b)|
n+|f(a)|
n+Zb
a
|f0(t)|
ndt
Zb
a
f(t)eintdt|f(b)|+|f(a)|+Rb
a|f0(t)|dt
n
Par le th´eor`eme d’encadrement, lim
n+Rb
af(t)eintdt = 0.
On en d´eduit ´egalement lim
n+Rb
af(t) cos(nt)dt = 0 et lim
n+Rb
af(t) sin(nt)dt = 0.
Exercice 5:
1. x[0; 1], 1 1 + x22 donc 0 1
1+x21.
01
1 + x210xn
1 + x2xn0Z1
0
xn
1 + x2dx Z1
0
xndx
Or, R1
0xndx =1
n+1 . Par le th´eor`eme d’encadrement, lim
n+Z1
0
xn
1 + x2dx = 0.
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Exercices sur l’int´egration sur un segment - Correction 3
2. x[0; 1], 0arccos(x)π
0arccos(x)π0xn.arccos(x)π.xn0Z1
0
xn.arccos(x)dx Z1
0
π.xndx
Or, R1
0xndx =1
n+1 . Par le th´eor`eme d’encadrement, lim
n+Z1
0
xn.arccos(x)dx = 0.
Exercice 6:
1.
I1=Z1
0
x
1 + xdx =Z1
0
x+ 1 1
1 + xdx =Z1
011
1 + xdx =xln(1 + x)1
0= 1 ln(2)
I2=Z1
0
x2
1 + x2dx =Z1
0
x2+ 1 1
1 + x2dx =Z1
011
1 + x2dx =xarctan(x)1
0= 1 π
4
2. On utilise (u0(t) = nxn1
1+xn
v(t) = x
n
ce qui donne u(t) = ln(1 + xn)
v0(t) = 1
n
. Ces fonctions sont de classe C1sur [0; 1].
In=x
nln(1 + xn)1
0Z1
0
1
nln(1 + xn)dx
=ln(2)
n1
nZ1
0
ln(1 + xn)dx
3.
nInln(2)Z1
0
ln(1 + xn)dx
Z1
0
ln(1 + xn)dx Z1
0
xndx
nInln(2)1
n+ 1
Par le th´eor`eme d’encadrement, lim
n+nIn= ln(2) donc In
n+
ln(2)
n.
Exercice 7:
1. On utilise le changement de variable x=tdonc dx =1
2tdt donc dt = 2xdx.
Z1
0
1
t+t3dt =Z1
0
1
x+x32xdx =Z1
0
2
1 + x2dx = [2arctan(x)]1
0=π
2
2. On utilise le changement de variable x= ln(t) donc dx =1
tdt donc dt =exdx.
Ze
1
ln(t)
t+t(ln(t))2dt =Zln(e)
ln(1)
x
ex+ex.x2exdx =Z1
0
x
1 + x2dx =1
2ln(1 + x2)1
0=1
2ln(2)
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Exercices sur l’int´egration sur un segment - Correction 4
3. On utilise le changement de variable x= arccos(t) donc dx =1
1t2dt donc dt =1t2dx.
Z1
1p1t2dt =Zarccos(1)
arccos(1) p1cos(x)2.(p1cos(x)2)dx =Z0
π
sin(x)2dx =Zπ
0
sin(x)2dx
On utilise ensuite la lin´earisation
Zπ
0
sin(x)2dx =Zπ
0
1cos(2x)
2dx =xsin(2x)
4π
0
=π
4. On utilise le changement de variable x=1
tdonc dx =1
t2dt donc dt =t2dx =dx
x2.
Z+
1
1
t.t21dt =Z0
1
1
1
xq1
x21
1
x2dx =Z0
1
1
1x2dx =Z1
0
1
1x2dx =arcsin(t)1
0=π
2
Exercice 8: Par le th´eor`eme des sommes de Riemann,
1
n
n
X
k=1 k
nα
n+Z1
0
tαdt =1
α+ 1
1
n.nα
n
X
k=1
kα
n+
1
α+ 1
n
X
k=1
kα
n+
nα+1
α+ 1
Exercice 9:
1.
Z1
0
tndt =tn+1
n+ 11
0
=1
n+ 1
donc lim
n+Z1
0
tndt = 0.
2. Toute fonction continue sur un segment y est born´ee et atteint ses bornes donc
(m, M)R2tel que t[0; 1], m f(t)M. Soit f∈ C([0; 1],R).
mf(t)M
m.tnf(t).tnM.tn
Z1
0
m.tndt Z1
0
f(t).tndt Z1
0
M.tndt
m
n+ 1 Z1
0
f(t).tndt M
n+ 1
Par encadrement, on en d´eduit que lim
n+Z1
0
tnf(t)dt = 0.
Exercice 10:
(f2f)2=f42f3f2Z1
0
(f2f)2=Z1
0
(f42f3f2) = Z1
0
f42Z1
0
f3Z1
0
f2= 0
La fonction (f2f)2est continue sur [0;1],positive et a une int´egrale nulle donc (f2f)2= 0 sur [0; 1].
t[0; 1], f(t)2=f(t)f(t) = 0 ou f(t) = 1
Or, la fonction fest continue donc f= 0 sur [0; 1] ou f= 1 sur [0; 1].
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