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Cours · Bac+2 (MP)

Intégration et dérivation

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Intégrales généralisées

Non commencé

Définitions

Une intégrale généralisée (impropre) est a+f(x)dx=limA+aAf(x)dx\int_a^{+\infty} f(x)\,dx = \lim_{A \to +\infty} \int_a^A f(x)\,dx si la limite existe. Idem en a+a^+ si ff non bornée en aa. Critère de Riemann en ++\infty : 1+1xαdx\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^\alpha}\,dx CV ssi α>1\alpha > 1.

Critère en 0+0^+ : 011xαdx\int_0^1 \frac{1}{x^\alpha}\,dx CV ssi α<1\alpha < 1. Comparaison : 0fg0 \leq f \leq g et g\int g CV \Rightarrow f\int f CV. L'intégrale de Gauss +ex2dx=π\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi} est fondamentale en probabilités.

Intégrale généralisée : a+f=limA+aAf\int_a^{+\infty}f=\lim_{A\to+\infty}\int_a^A f. Riemann en ++\infty : 1xα\int_1^\infty x^{-\alpha} CV ssi α>1\alpha>1 ; en 0+0^+ : CV ssi α<1\alpha<1.

Gauss : +ex2dx=π\int_{-\infty}^{+\infty}e^{-x^2}\,dx=\sqrt{\pi}.

Formules

  • a+f=limA+aAf\int_a^{+\infty} f = \lim_{A \to +\infty} \int_a^A f
  • 1+1xαdx CV α>1\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^\alpha}\,dx \text{ CV } \Leftrightarrow \alpha > 1
  • 011xαdx CV α<1\int_0^1 \frac{1}{x^\alpha}\,dx \text{ CV } \Leftrightarrow \alpha < 1
  • +ex2dx=π;0+exdx=1\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi} \quad ; \quad \int_0^{+\infty} e^{-x}\,dx = 1

Exemples

Exemple 1

Nature de 1+1x2dx\int_1^{+\infty}\frac{1}{x^2}\,dx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) [1/x]1+=1[-1/x]_1^{+\infty}=1 : convergente (α=2>1\alpha=2>1). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

CV, valeur 11.

Exemple 2

Nature de 011xdx\int_0^1\frac{1}{\sqrt{x}}\,dx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) [2x]01=2[2\sqrt{x}]_0^1=2 : CV (α=1/2<1\alpha=1/2<1). (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

CV, valeur 22.

À retenir

Dérivation sous le signe somme

Non commencé

Définitions

Pour une suite de fonctions (fn)(f_n), on étudie la convergence simple (fn(x)f(x)f_n(x) \to f(x) pour chaque xx) et uniforme (supxfn(x)f(x)0\sup_x |f_n(x)-f(x)| \to 0). Théorème : limite uniforme de fonctions continues = continue. Pour les séries fn(x)\sum f_n(x), convergence normale (supfn<+\sum \sup|f_n| < +\infty) \Rightarrow convergence uniforme \Rightarrow on peut intégrer terme à terme et dériver sous le signe somme (avec hypothèses de dérivabilité).

Théorème de convergence dominée (Lebesgue, admis en MP) : si fnff_n \to f p.s. et fng|f_n| \leq g intégrable, alors fnf\int f_n \to \int f.

Convergence simple vs uniforme (fnf0\|f_n-f\|_\infty\to 0). Limite uniforme de continues = continue. CV normale \Rightarrow uniforme.

Sous hypothèses, on intègre/dérive terme à terme. Convergence dominée (Lebesgue, admis).

Formules

  • fnf uniformeˊment fnf0f_n \to f \text{ uniformément } \Leftrightarrow \|f_n - f\|_\infty \to 0
  • fn<+fn CV normalement\sum \|f_n\|_\infty < +\infty \Rightarrow \sum f_n \text{ CV normalement}
  • CV uniforme + fn continues f continue\text{CV uniforme + } f_n \text{ continues } \Rightarrow f \text{ continue}
  • ddxfn=fn(sous hyp. CV uniforme des deˊriveˊes)\frac{d}{dx}\sum f_n = \sum f_n' \quad \text{(sous hyp. CV uniforme des dérivées)}

Exemples

Exemple 1

fn(x)=xnf_n(x)=x^n sur [0,1][0,1] : CV uniforme ?

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) CV simple vers 00 sur [0,1[[0,1[ et 11 en 11. Limite discontinue : CV non uniforme. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

Non uniforme.

Exemple 2

Série xnn!\sum\frac{x^n}{n!} sur un compact.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) CV normale sur tout compact (fn<\sum\|f_n\|_\infty<\infty) : on peut dériver terme à terme. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

CV normale sur tout compact ; somme exe^x.

À retenir