Intégration sur un segment — CCINP et autres écoles

Exercices corrigés du CCINP et d’autres écoles sur le thème « intégration sur un segment », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) sommes de Riemann ; contrôle du reste ; développements limités
Calculer {\lim_{n\to\infty}\sum\limits_{k=1}^n\tan(1/(n+k))}.
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Exercice 2. (★★) dérivation d’une intégrale ; variations ; équivalents
Pour {x\in\mathbb{R}}, étudier {f(x)=\int_x^{4x}dt/(1+t^4)^2}, décrire son graphe et donner un équivalent en zéro.
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Exercice 3. (★★) changement de variable ; primitives ; périodicité
Calculer {\varphi(x)=\int_0^xdu/(3+\cos^2u)}. On pourra poser {v=\tan u}.
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Exercice 4. (★★) inégalité de la corde ; intégration par parties ; concavité
Soit {f:[0,1]\to\mathbb{R}} continue concave, avec {f(0)\ge0}.

Montrer les deux inégalités : {xf(x)\leq2\int_0^xf(t)dt-xf(0)} pour {0\leq x\leq1}, puis {\int_0^1xf(x)dx\leq\frac23\int_0^1f(x)dx}.

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Exercice 5. (★★) Séries, familles sommables ; somme géométrique ; intégration des limites
Montrer que {\int_0^1\frac{du}{1+u^4} =\sum\limits_{k=0}^{+\infty}\frac{(-1)^k}{1+4k}}.
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Exercice 6. (★) inégalité de Cauchy-Schwarz ; positivité de l’intégrale ; produits scalaires
Soient {a\lt b} et {E=C^0([a,b],\mathbb{R})}.
a) Soit {h\in E} positive telle que {\int_a^b h(x)\,dx=0}.

Montrer que {h=0}.

b) Montrer que {(f,g)\mapsto\int_a^b fg} définit un produit scalaire sur {E}.

c) Majorer {\int_a^b\sqrt x e^{-x}\,dx} avec l’inégalité de Cauchy-Schwarz.

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Exercice 7. (★★) linéarité de l’intégrale ; positivité ; bornes atteintes
Soient {a,b\in\mathbb{R}}, {a\lt b}, et {f,g:[a,b]\to\mathbb{R}} continues. On suppose {f>0}.
a) On suppose que, pour tout {x\in\mathbb{R}}, {\int_a^b(f(t)+xg(t))\,dt\ge\int_a^b f(t)\,dt}.

Déterminer {\int_a^b g(t)\,dt}.

b) Même question si, pour tout {x\in\mathbb{R}}, {\int_a^b|f(t)+xg(t)|\,dt\ge\int_a^b f(t)\,dt}.

La conclusion reste-t-elle vraie avec seulement {f\ge0} ?

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Exercice 8. (★★★) continuité uniforme ; sommes de Riemann ; majorations d’intégrales
Pour {f\in C^0([0,\pi],\mathbb{R})}, montrer {\int_0^\pi f(t)|\sin(nt)|\,dt\longrightarrow\frac2\pi\int_0^\pi f(t)\,dt.}
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PSI


Exercice 1. (★) Comparaison série-intégrale ; Sommes de Riemann ; Équivalents
Trouver un équivalent de {\sum\limits_{k=n+1}^{2n}1/\sqrt{k}} en utilisant :
i) une comparaison série-intégrale ;

ii) les sommes de Riemann.

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Exercice 2. (★) Sommes de Riemann ; Comparaison série-intégrale ; Équivalents
Pour {S_n=\sum\limits_{k=n+1}^{2n}1/\sqrt k}, déterminer un équivalent par comparaison avec des intégrales, puis par sommes de Riemann.
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Exercice 3. (★★) Intégration par parties ; Relations de récurrence
Pour {n\in\mathbb{N}}, poser {I_n=\int_0^{\pi/2}\sin^nt\,dt}.

Calculer {I_0,I_1}, exprimer {I_{n+2}} en fonction de {I_n}, puis expliciter {I_n} selon la parité.

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Exercice 4. (★★) périodicité de la dérivée ; dérivation d’une intégrale ; théorème fondamental
Chercher les {f\in C^1(\mathbb{R})} vérifiant {f'(x)=(f(x+n)-f(x))/n} pour tout {n\in\mathbb{N}^\star} et tout réel {x}.
a)

i) Montrer que {f'(x+1)=f'(x)} en choisissant des valeurs de {n}.

ii) Montrer que {x\mapsto\int_x^{x+1}f'(t)\,dt} est constante, puis que {f'} est constante.

b) Donner toutes les solutions.

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Exercice 5. (★★★) intégration par parties ; changement de variable ; symétrie
Soit {f\in C^0([a,b],\mathbb{R})} telle que {f(a+b-x)=f(x)}.
a) Montrer {\int_a^btf(t)\,dt=\frac{a+b}2\int_a^bf(t)\,dt}.

b) Calculer {\int_{-\pi}^{\pi}\frac{te^{it}}{1+\cos^2t}\,dt}.

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Exercice 6. (★★★) convergence dominée ; intégration par parties ; développements asymptotiques
Pour {n\in\mathbb{N}}, soit {I_n=\int_0^1(1-x)^ne^{-2x}\,dx}.
a) Montrer sa convergence et calculer sa limite.

b) Relier {I_n,I_{n+1}} et donner {\lim nI_n}.

c) Trouver {a,b,c} tels que {I_n=a+b/n+c/n^2+o(n^{-2})}.

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Exercice 7. (★★★) convergence uniforme ; intégration de sommes partielles ; séries alternées
Soit {a>0}.
1) Montrer l’existence de {\int_0^1dt/(1+t^a)}.
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2) Calculer {\int_0^1t^{na}\,dt} pour {n\in\mathbb{N}}.
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3) Pour démontrer {\int_0^1dt/(1+t^a)=\sum\limits_{n\geq0}(-1)^n/(na+1)}, peut-on utiliser : (i) la convergence uniforme de la série des fonctions ;

(ii) la convergence de la série des intégrales ;

(iii) la convergence vers zéro de l’intégrale du reste ?

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4) Que donne-t-on pour {a=1} et {a=2} ?
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Exercice 8. (★) problème de Cauchy ; théorème fondamental ; équations homogènes du premier ordre
Trouver les {f\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})} telles que {f(x)-\int_0^xf(t)\,dt=1} pour tout {x}.
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PC


Exercice 1. (★★★) Intégration terme à terme ; Intégration par parties ; Développements usuels
On pose {I_k=\int_0^{\pi/2}\sin^kt\,dt} et, pour {|x|\lt 1}, {f(x)=\int_0^{\pi/2}\frac{dt}{\sqrt{1-x^2\sin^2t}}.}
a) Rappeler la formule de Stirling.
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b) Justifier l’existence des intégrales.
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c) Montrer que {I_{k+2}=(k+1)I_k/(k+2)}.
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d) Exprimer {I_{2k}} avec des factorielles.
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e) Donner le développement de {(1-x)^{-1/2}} sur {]-1,1[}.
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f) Montrer que {f(x)=\sum_{n=0}^{+\infty} \left(\frac{(2n)!}{(2^nn!)^2}\right)^2x^{2n}.}
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Exercice 2. (★★) intégration par parties ; majoration d'intégrales
Soit {f\in C^2([a,b],\mathbb{R})}, {a\lt b}, {f(a)=f(b)=0}, et {P(t)=(t-a)(t-b)/2}.

Relier {\int_a^bf} à {\int_a^bf''P}, puis montrer {|\int_a^bf|\le(b-a)^3\lVert f''\rVert_\infty/12}.

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Exercice 3. (★★) théorème de Rolle ; intégration par parties ; valeurs intermédiaires
Soient {a\lt b}, {f,g\in C^\infty([a,b],\mathbb{R})} et {g} ne s’annulant pas. Posons {F(x)=\int_a^xf(t)g(t)\,dt}, {G(x)=\int_a^xg(t)\,dt}.
a) Énoncer Rolle.

b) Montrer leur régularité et {\int_a^bfg=G(b)f(b)-\int_a^bGf'}.

c) Avec {h(x)=F(b)G(x)-F(x)G(b)}, montrer l’existence de {c} tel que {F(b)G'(c)=F'(c)G(b)}, puis {\int_a^bfg=f(c)\int_a^bg}.

d) Si {f'} ne s’annule pas, montrer {\int_a^bfg=f(a)\int_a^cg+f(b)\int_c^bg} pour un {c}.

e) Si {f} est positive décroissante, montrer {\int_a^bfg=f(a)\int_a^cg} pour un {c}.

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Exercice 4. (★★★) rayon de convergence ; intégration terme à terme ; changement de variable
a) Montrer qu’il existe un unique {\alpha} réel avec {\sinh\alpha=1}.

b) Montrer {\cosh\alpha=\sqrt2}.

c) Pour {I_n=\int_0^\alpha\sinh^n t\,dt}, montrer la décroissance et calculer {I_0,I_1}.

d) Montrer {(n+2)I_{n+2}+(n+1)I_n=\sqrt2}.

e) Montrer {I_n\sim1/(n\sqrt2)}.

f) Domaine de {f(x)=\sum\limits_{n\ge0}I_nx^n} ?

g) Montrer {f(x)=\int_0^\alpha dt/(1-x\sinh t)}.

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Exercice 5. (★) changement de variable ; convergence uniforme
Montrer {\lim_{a\to0}\int_a^{3a}\cos u/u\,du=\ln3}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.