Intégration sur un intervalle quelconque — Polytechnique

Exercices corrigés de Polytechnique sur le thème « intégration sur un intervalle quelconque », regroupés par filière.

MP–MPI


Exercice 1. (★★) Convergence uniforme ; Continuité uniforme ; Changement de variable
Soit {g(x)=1/(\pi(1+x^2))}, {g_y(x)=y^{-1}g(x/y)} pour {y>0}, et {f:\mathbb{R}\to\mathbb{C}} continue à support compact.

Montrer que {\int_{\mathbb{R}}f(x-t)g_y(t)\,dt\to f(x)} quand {y\to0^+}, puis que cette convergence est uniforme en {x}.

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Exercice 2. (★★) Intégrales généralisées ; Sommes télescopiques ; Partie entière
Justifier l’existence et calculer {\int_0^1dt/(2+\lfloor1/t\rfloor)}.
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Exercice 3. (★★★★) Fonctions d’une variable réelle ; Monotonie ; Fonctions réciproques
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}_+} intégrable {C^1}, d’intégrale {1}, dont la dérivée s’annule en un unique point {M}.
a) Donner ses variations et montrer l’existence d’un unique {m} avec {\int_{-\infty}^mf=1/2}.
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b) Pour {0\lt \ell\lt f(M)}, montrer l’existence d’un unique couple {x_1\lt M\lt x_2} avec {f(x_1)=f(x_2)=\ell}.
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c) Si {f'(x_1)+f'(x_2)>0} pour chaque niveau {\ell}, montrer {m>M}.
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Exercice 4. (★★★) Intégration des relations de comparaison ; Calcul asymptotique ; Passage à la limite
Soient {a>0} et {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+^\star} de classe {C^1} telle que {f'(x)/f(x)\sim a/x} en {+\infty}.
a) Rappeler le théorème d’intégration des relations de comparaison.
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b) Donner un équivalent de {\ln f(x)} en {+\infty}.
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c) Déterminer le domaine de {u(x)=\sum\limits_{n=0}^\infty f(n)e^{-nx}}.
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d) Déterminer les limites de {u} aux bornes de ce domaine.
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e) Montrer qu’il existe {C>0} tel que {f(x)\sim(C/x)f(1/x)} quand {x\to+\infty}.
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Exercice 5. (★★) Intégrabilité ; Changement de variable ; Critères de comparaison
a) Déterminer le domaine de {f(x)=(2/\sqrt\pi)\int_0^{\pi/2}(\cos t)^{2x}dt}.
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b) Pour {x>0}, montrer {f(x)=\frac2{\sqrt\pi}\int_0^\infty \frac{u\exp(-u^2(x+1/2))}{\sqrt{1-e^{-u^2}}}du.}
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Exercice 6. (★★★★) Intégrabilité du carré ; Cauchy-Schwarz ; Normes
Soit {f\in C^0(]0,\infty[,\mathbb{R})} de carré intégrable.

Poser {Sf(x)=\int_0^\infty f(y)/(x+y)dy} pour {x>0}.

a) Justifier cette définition.
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b) Montrer que {Sf} est de carré intégrable.
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Exercice 7. (★★★) Intégration par parties ; Convergence dominée ; Approximation polynomiale de Weierstrass
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} de classe {C^1} à support compact. Soit {E} l’ensemble des fonctions {\varphi\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{R})} vérifiant {|\varphi|\le1}.

Déterminer {\sup_{\varphi\in E}\int_{\mathbb{R}}f\varphi'}.

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Exercice 8. (★★★★) Intégrales de fonctions positives ; Comparaison ; Découpage du domaine
Déterminer la nature de {\int_0^{\infty}\frac{e^x}{e^{-x}+e^{2x}|\sin x|}\,dx.}
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Exercice 9. (★★★★) Convergence dominée ; Intégration par parties ; Changement de variable
Déterminer la limite de {u_n=n\int_0^{\infty}\sin(t^n)\,dt}.
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Exercice 10. (★★★) Intégration par parties ; Dérivation sous le signe intégral ; Passage à la limite
Soit {r\in]0,\pi[}.

Déterminer {\lim_{n\to\infty}\int_{-r}^r\sin(nt)/\sin t\,dt}.

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Exercice 11. (★★★) Intégration logarithmique ; Convergence dominée ; Comparaison
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+^\star} de classe {C^1} telle que {xf'(x)/f(x)\to a\in\mathbb{R}} à l’infini.
1) Pour {m>0}, déterminer {\lim_{x\to\infty}f(mx)/f(x)}.
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2) Montrer que {I(t)=\int_0^\infty e^{-tx}f(x)\,dx} est définie pour {t>0}.
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3) Déterminer sa limite en {+\infty}.
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4) Si {a\lt -1}, déterminer sa limite en {0^+}.
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Exercice 12. (★★★★) Bornes atteintes ; Convergence dominée ; Comparaison d'intégrales
[MPI] Soit {f:[0,1]\to\mathbb{R}} continue, strictement positive sur {]0,1[}.

Calculer les limites de {(\int_0^1f(x)^p\,dx)^{1/p}} lorsque a) {p\to+\infty} ; b) {p\to0^+}.

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Exercice 13. (★★★★) Parité ; Intégrabilité ; Changement de variable
[MPI] Pour {a,b>0}, posons {J_{a,b}=2\int_0^{\pi/2}((a\cos\theta)^2+(b\sin\theta)^2)^{-1/2}\,d\theta}.
a) Montrer {J_{a,b}=\int_{-\infty}^{\infty}((x^2+a^2)(x^2+b^2))^{-1/2}\,dx}.
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b) Montrer {J_{a,b}=J_{(a+b)/2,\sqrt{ab}}}.
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Exercice 14. (★★★) Critères de comparaison ; Intégrales de Riemann ; Sommation par intervalles
[MPI] Déterminer les réels {\alpha,\beta} tels que {\int_0^\infty|\sin t|^\alpha t^\beta\,dt\lt \infty}.
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Exercice 15. (★★★★) Intégrabilité ; Comparaison ; Bornes atteintes
[MPI]
a) Pour {f\in C^0(\mathbb{R},\mathbb{R})}, soit {I_f=\left\{p>0:\int_{\mathbb{R}}|f|^p\lt \infty\right\}}.

Montrer que {I_f} est un intervalle et construire des exemples donnant {]a,b[}, {]0,b[} ou {]b,+\infty[} pour {0\lt a\lt b}.

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b) Déterminer {\lim_{p\to\infty}(\int_0^1|f|^p)^{1/p}}.
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Exercice 16. (★★★) Changement de variable ; Intégrabilité ; Primitives
[MPI] Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} intégrable, et {g(x)=f(x-1/x)} pour {x\ne0}.

Montrer que {g} est intégrable sur chacune des deux demi-droites et exprimer leur somme d’intégrales en fonction de {\int_{\mathbb{R}}f}.

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Exercice 17. (★★★★) Sommes de Riemann ; Convergence dominée ; Équivalents
Soit {\alpha\in\mathbb{R}}.
a) Quand {f(x)=\sum\limits_{n\ge1}n^\alpha/(n+x)} est-elle définie sur {\mathbb{R}_+} ?
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b) Donner sa limite et un équivalent en {+\infty}.
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c) Pour {P\in\mathbb{R}[X]} de degré {d\ge0}, sans racine sur {[1,\infty[}, étudier de même {g(x)=\sum\limits_{n\ge1}n^\alpha/P(n+x)}.
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PSI


Exercice 1. (★) Intégration par parties ; Intégrabilité ; Changement de variable
Pour {(p,n)\in\mathbb{N}^2}, posons {I_{n,p}=\int_0^1x^n(\ln x)^p\,dx.}
1) Prouver l’existence de {I_{n,p}} et trouver une récurrence.
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2) Calculer {I_{n,n}}.
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Exercice 2. (★★★) Accroissements finis ; Intégrales généralisées
Soit {f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} dérivable. On suppose que {f'} est bornée et que {\int_0^\infty f(t)\,dt} converge.

Montrer que {f(x)\to0} lorsque {x\to+\infty}.

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Exercice 3. (★★) Convergence dominée ; Intégration terme à terme ; Changement de variable
Déterminer la limite de {I_n=n\int_0^1\ln(1+t^n)\,dt}.
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Exercice 4. (★★) Convergence dominée ; Série géométrique
Pour {0\lt a\lt 1}, poser {I_n(a)=\int_0^1dt/(1+at+\cdots+(at)^n)}.

Calculer {\lim_{n\to\infty}\lim_{a\uparrow1}I_n(a)} et {\lim_{a\uparrow1}\lim_{n\to\infty}I_n(a)}.

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Exercice 5. (★★★) intégrabilité ; primitives ; comparaison à une puissance
Soit {S(\mathbb{R})} l’ensemble des fonctions {\varphi\in C^\infty} telles que {x^k\varphi^{(j)}(x)} soit bornée pour tous {k,j\ge0}.
1) Montrer que toutes ces fonctions pondérées sont intégrables.
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2) Déterminer quand {\varphi} possède une primitive appartenant à {S}.
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Exercice 6. (★★★★) convergence dominée ; changement de variable ; équivalents
Pour {a>0}, posons {I(a,n)=\int_0^{\pi/2}(a+\cos x)^n\,dx}.
a) Déterminer sa limite.
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b) Pour {0\lt b\lt \pi/2}, montrer {\sqrt n(1+a)^{-n}\int_b^{\pi/2}(a+\cos x)^n\,dx\to0}.
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c) Calculer la limite de {\sqrt n(1+a)^{-n}(a+1)^{-1/2}\int_0^b(a+\cos x)^n\,dx}.
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d) Donner un équivalent de {I(a,n)}.
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PC


Exercice 1. (★★★) Changement de variable ; Primitives ; Critères de comparaison
Justifier et calculer {\int_0^{\pi/2}dt/\sqrt{\tan t}}.
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Exercice 2. (★★★★) Changement de variable ; Intégration par parties ; Convergence
Soit {f} continue {T}-périodique, {T>0}, et {0\lt a\lt b}.

Justifier et calculer {I=\int_0^\infty(f(bt)-f(at))\,dt/t}.

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Exercice 3. (★★) Équivalents ; Intégration des relations de comparaison
Donner un équivalent en {+\infty} de {F(x)=\int_1^xt^t\,dt}.
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Exercice 4. (★★) intégration par parties ; intégrabilité ; positivité de l'intégrale
Soit {E} l’espace des {f\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} tels que {\sup_x(1+x^2)(|f(x)|+|f'(x)|+|f''(x)|)\lt \infty}.

Poser {A_tf(x)=txf(x)+f'(x)} et {A_t^\starf(x)=txf(x)-f'(x)}.

Montrer que {\int_{\mathbb{R}}A_t^\star(A_tf)(x)f(x)dx\ge0}.

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Exercice 5. (★★★★) intégration par parties ; Cauchy-Schwarz ; intégrabilité
Soit {f\in C^2(\mathbb{R}_+,\mathbb{R})} avec {f,f''\in L^2} et {f(0)f'(0)=0}.

Montrer que {f'\in L^2} et {\lVert f'\rVert_2^2\le\lVert f\rVert_2\lVert f''\rVert_2}.

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Exercice 6. (★★★★) intégration par parties ; intégrabilité ; Cauchy-Schwarz
Soit {f:\mathbb{R}_+\to\mathbb{R}_+} continue, avec {\int_0^\infty f^2\lt \infty}, et {g(x)=\int_0^xf(t)\,dt}.

Montrer que {\int_0^\infty g(x)^2/x^2\,dx} converge.

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Exercice 7. (★★★) intégrabilité ; limites ; dérivation et composition
Soit {p:\mathbb{R}\to\mathbb{R}} intégrable et {y\in C^2(\mathbb{R})} vérifiant {y''-py=0}.
1) Montrer que {y'(x)\to0} en {+\infty}.
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2) On admet l’existence d’une solution pour toutes données initiales.

Montrer que l’équation possède une solution non bornée.

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Exercice 8. (★★★) intégration par parties ; dérivées successives ; positivité et majorations
Soient {P,Q\in\mathbb{R}[X]} avec {P-P'=Q}.

Montrer que {Q\ge0} sur {\mathbb{R}} implique {P\ge0}.

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Exercice 9. (★★★★★) changement de variable ; intégrabilité ; identités trigonométriques
Pour {x_1,\ldots,x_n\in\mathbb{R}}, montrer {\sum_{i,j=1}^n\sqrt{|x_i-x_j|}\le\sum_{i,j=1}^n\sqrt{|x_i+x_j|}.}
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Exercice 10. (★★★★) Cauchy-Schwarz ; intégrabilité ; dérivation et composition
Soit {f\in C^1(\mathbb{R},\mathbb{C})} avec {xf} et {xf'} de carré intégrable.
a) Montrer que {f} est intégrable et de carré intégrable.
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b) Montrer {f(x)\to0} aux deux infinis et que {xf(x)^2} est de carré intégrable.
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Exercice 11. (★★★★) intégration par parties ; intégrabilité ; inégalités
Soit {E} l’espace des {f\in C^2(\mathbb{R},\mathbb{R})} telles que {(1+x^2)|f|}, {(1+x^2)|f'|}, {(1+x^2)|f''|} soient bornées. Posons {A_tf=f'+txf} et {A_t^\starf=-f'+txf}.
a) Montrer {\int_{\mathbb{R}}(A_t^\starA_tf)f\ge0}. Indication : montrer {\int(A_tf)g=\int f(A_t^\starg)} pour {f,g\in E}.
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b) Si {\int f^2=1}, montrer {(\int x^2f^2)(\int(f')^2)\ge1/4}.
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Exercice 12. (★★★★) intégration terme à terme ; intégrabilité ; développements usuels
1) Montrer que, pour {t\in[0,1[}, {\int_0^{2\pi}e^{i\theta}/(1-te^{i\theta})\,d\theta=0}.
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2) En déduire que, pour tout {z\in\mathbb{C}}, {\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}\log|e^{i\theta}-z|\,d\theta=\max(0,\log|z|).}Indication : considérer {t\mapsto\int_0^{2\pi}\log|z-te^{i\theta}|\,d\theta}.
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Author: Jean-Michel Ferrard

Professeur de mathématiques en classe préparatoire aux grandes écoles.