Intégration - Mathématiques en MPSI à Corot
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Intégration - Mathématiques en MPSI à Corot
Intégration © Laurent Garcin MPSI Lycée Jean-Baptiste Corot Exercice 1. Exercice 6. Soit f : R → R une fonction continue T -périodique telle que Montrer que : Zb ∀a, b ∈ R, f(λt)dt −→ 0. Que devient le résultat si RT 0 RT 0 Soit f : [0, π] → R une application continue. Zπ f(t) sin t dt = 0. Montrer que f s’annule en un réel 1. On suppose que f(t)dt = 0. f(t)dt 6= 0 ? Zπ Zπ f(t) sin t dt = 2. On suppose que 0 f(t) cos t dt = 0. Montrer que f s’an0 nule deux fois sur ]0, π[. Zπ On pourra considérer f(t) sin(t − a) dt. Exercice 2. Soient f une fonction continue sur R admettant une limite finie l en +∞ et a un réel strictement positif. Z y+a f(t) dt = al. 1. Montrer que lim y→+∞ y ZX 2. Montrer que 3. Calculer 0 a ∈]0, π[. λ→+∞ a lim X→+∞ 0 ZX lim X→+∞ 0 0 Exercice 7. Soit f : [a, b] → R continue. Montrer qu’il existe c ∈]a, b[ tel que f(c) = Zb 1 f(t) dt. b−a a Za (f(t + a) − f(t)) dt = − f(t) dt + al. 0 Exercice 8. (arctan(t + 1) − arctan t) dt. Soient n ∈ N∗ et f la fonction définie sur [0, 1] par f(t) = bntc. Montrer que f est en escalier sur [0, 1] et calculer son intégrale. Exercice 3. Soit f : [a, b] → R+ continue. Exercice 9.O 1. Justifier l’existence de M = max f(x). 2. Montrer que å n1 n f(x) dx lim n→+∞ Zπ On note x∈[a,b] ÇZ b I= = M. 0 a t dt et J = 2 + sin(t) Zπ 0 dt . 2 + sin(t) 1. Trouver une relation simple entre I et J en effectuant le changement de variable t = π − u. Exercice 4. 2. Pour tout réel x , on pose Z Z |f| si et f = Soit f continue sur [a, b] à valeurs réelles. Montrer que [a,b] [a,b] seulement si f est de signe constant sur [a, b]. Zx F(x) = 0 dt . 2 + sin(t) a. Montrer que F est continue sur R. Exercice 5. b. Calculer F(x) en fonction de x pour tout x ∈ ] − π, π[. Soient f et g deux fonctions continues sur [a, b] à valeurs réelles. On suppose de plus g positive sur [a, b]. Montrer qu’il existe c ∈ [a, b] tel que c. En déduire la valeur de J puis celle de I. Zb Zb f(t)g(t) dt = f(c) a http://laurentb.garcin.free.fr g(t) dt a 1 Intégration © Laurent Garcin MPSI Lycée Jean-Baptiste Corot Exercice 10. Exercice 14. Calculer les primitives suivantes Z Z dx 4. tan3 (x)dx ; ; 1. x2 + 5 Z Z 1 dx 5. dx ; 2. √ ; 3 2 tan (x) x + 5 Z Z 2x + 3 dx, 6. 3. ex sin(ex )dx ; 2 (x + 3x + 7)m Pour n ∈ N et x ∈ R, on pose Zx m∈N ; Z ln(x) 7. dx ; x Z ch(x)dx 8. . sh5 (x) In (x) = 0 dt (1 + t2 )n+1 1. Déterminer une relation entre In+1 (x) et In (x). 2. En déduire l’existence et une expression simple de limx→+∞ In (x). Exercice 15. Exercice 11. Soient a < b réels et f : [a, b] → R convexe et dérivable. Montrer que Soit α ∈ R et H la fonction définie par : Zb Å ã a+b 1 f(a) + f(b) f 6 . f(t)dt 6 2 b−a a 2 ∀x ∈ R, H(x) = α cos x + sin x + 2 1. Donner une condition nécessaire et suffisante sur α pour que H ne s’annule Exercice 16. pas. 1 2. On Z x suppose la condtion précédente satisfaite et on pose pour x ∈ R, F(x) = Soit f une fonction de classe C strictement croissante de [a, b]. dt D’après le théorème de la bijection, f induit une bijection de [a, b] sur [f(a), f(b)] . Justifier que F est bien définie et continue sur R et donner une et f−1 est continue sur [f(a), f(b)]. 0 H(t) expression de F(x) pour x ∈] − π, π[. 1. Montrer que 3. Calculer l’intégrale F(2π). Z Z b Exercice 12. a Soient α et β deux réels strictement positifs. On définit une fonction f par : ∀x ∈ R, f(x) = f−1 (y) dy = bf(b) − af(a) 1 α + β cos2 x Exercice 17. Etablir la dérivabilité puis calculer la dérivée de la fonction ψ définie par x 7−→ 2. Montrer que F(x) tend vers +∞ quand x tend vers +∞. 3. Déterminer une expression de F(x) pour x ∈ − π2 , π2 . Z 2π dt 4. Calculer I = . 2 0 49 − 45 sin t Z ex » 1 + ln2 (t)dt. e−x Exercice 18. Zx 3−btc dt où btc représente la partie entière du réel Pour x ∈ R, on pose f(x) = t. Exercice 13. Z b2 » x (x − a2 )(b2 − x) dx. 0 1. Justifier que f est bien définie. 2. Montrer que la suite (f(n)) converge et donner sa limite. a2 http://laurentb.garcin.free.fr f(a) 2. Donner une interprétation géométrique de cette formule. 1. Justifier que f admet des primitives sur R. On note F celle qui s’annule en 0. Calculer I = f(b) f(x) dx + 3. En déduire que f admet une limite en +∞ et préciser celle-ci. 2 Intégration © Laurent Garcin MPSI Lycée Jean-Baptiste Corot Exercice 19. Exercice 24.O Z x2 Étudier le comportement asymptotique de la suite définie par, dt . x ln t 1. Déterminer le domaine de définition de f. Pour x ∈ R, on pose f(x) = vn = 1 » n (n + 1)(n + 2) . . . (n + n). n 2. Quel est le signe de f ? Exercice 25. 3. Prolonger f par continuité partout où cela est possible. 4. Montrer que f est dérivable et étudier les variations de f. On déterminera Etudier la suite (un )n>1 définie par également la limite de f en +∞. 1 1 1 5. Etudier la concavité de f. un = + + ··· + . n+1 n+2 2n 6. Tracer le graphe de f. Exercice 26. Exercice 20. √ √ √ √ √ √ Déterminer un équivalent de un = 1 n − 1 + 2 n − 2 + · · · + n − 2 2 + Zx √ √ n − 1 1 quand n tend vers +∞. Soit g : R → R continue. Pour x ∈ R, on pose f(x) = sin(x − t)g(t) dt. 0 1. Montrer que f est de classe C 1 sur R et que pour tout x ∈ R, f 0 (x) = Zx cos(t − x)g(t) dt. Exercice 27. Montrer que 0 2. Montrer que f est de classe C 2 et que f est solution de l’équation différentielle y 00 + y = g. X2n − 1 = (X2 − 1) En déduire pour r > 1 Exercice 21. Z 2x x→0 x X2 − 2X cos k=1 3. En déduire toutes les solutions de l’équation différentielle y 00 + y = g. Déterminer lim n−1 YÅ Zπ −π cos t dt. t ã kπ +1 n ln 1 + reiθ dθ Exercice 28. Soit λ ∈ [−1, 1]. Trouver les fonctions f ∈ C0 (R, R) telles que Exercice 22. Z λx Soit f une fonction continue sur [a, b]. Rb Montrer que la fonction g : x 7→ a f(t) sin(tx) dt est lipschitzienne. ∀x ∈ R, Étudier le comportement asymptotique de la suite définie par, n X k=1 http://laurentb.garcin.free.fr k2 f(t)dt. 0 Exercice 23.O tn = f(x) = n . + n2 3 Intégration © Laurent Garcin MPSI Lycée Jean-Baptiste Corot Exercice 29.OO Exercice 31.OO On note, pour tout n ∈ N, On pose pour tout n > 0, Zπ Z π/2 n In = sin (x)dx. In = 0 0 cos(nt) dt. 2 − cos(t) 1. Montrer que ∀n ∈ N, In+2 = 4In+1 − In . 1. Calculer I0 et I1 . 2. En déduire une expression de In en fonction de n. 2. En intégrant par parties, trouver une relation de récurrence entre In et In+2 . Exercice 32.OO 3. En déduire une expression de I2n et I2n+1 pour tout n ∈ N à l’aide de factorielles. 4. Vérifier que (In )n>0 est décroissante. En déduire que 5. Démontrer que In+1 n+1 n+2 In Soit n ∈ N∗ . 1. Prouver que, sur un ensemble à déterminer, 6 In+1 6 In . sin2 (nt) = sin(t) + sin(3t) + · · · + sin((2n − 1)t). sin(t) ∼ In . n→+∞ 6. Établir que ∀n ∈ N, (n + 1)In+1 In = π 2. 2. En déduire une expression de 7. En déduire que … In ∼ n→+∞ Z π/2 π . 2n In = 0 Exercice 30. ∗ Pour n ∈ N , λ ∈ sin2 (nt) dt sin(t) sous la forme d’une somme. R∗+ et x ∈ 0, π2 , on pose fn,λ (x) = sin(2nx) ln(λ cos x). 1. Etudier la limite de fn,λ (x) lorsque x tend vers Z π2 fn,1 (x) dx. Montrer que 2. On pose In = 3. Vérifier que π 2. 1 6 2k + 1 ∀k ∈ N∗ , Z k+1 k 1 dx 6 . 2x − 1 2k − 1 0 Z π2 0 4. En déduire que 1 + (−1)n+1 fn,λ (x) dx = ln λ + In 2n Z π/2 0 3. Calculer I1 et I2 . sin2 (nt) 1 dt ∼ ln(n). sin(t) 2 Exercice 33. 4. Etablir que In = (−1) n+1 Z π2 Soit f : [0, 1] −→ R une fonction continue. Prouver que la suite de terme général sin(2nx) ln(sin x) dx Z1 0 et nIn = (−1)n Jn Z π2 où Jn = 0 sin2 (nx) cot x dx converge vers 0. 0 5. Calculer Jn − Jn−1 et en déduire In selon la parité de n. http://laurentb.garcin.free.fr tn f(t)dt In = 4