Exercices corrigés - Permutation limites et intégrales
Permutation suites et intégrales
Exercice 1 - Théorème de convergence dominée - 1 [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Déterminer la limite, lorsque $n$ tend vers $+\infty$, des suites suivantes :
$$\begin{array}{lll}
\displaystyle \mathbf 1.\ \left(\int_0^{\pi/4}(\tan t)^n dt\right)&\quad\quad&\mathbf 2. \displaystyle\left(\int_1^{+\infty}\frac{dt}{1+t^n}\right)\\
\mathbf 3. \displaystyle\left(\int_0^{+\infty}\frac{e^{-x/n}}{1+x^2}dx\right)&\quad\quad&
\mathbf 4. \displaystyle\left(\int_0^1 f(t^n)dt\right),\ f:[0,1]\to\mathbb R\textrm{ continue}.
\end{array}$$
Exercice 2 - Théorème de convergence dominée - 2 [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Pour $x\geq 0$ et $n\geq 1$, on pose $f_n(x)=\left(1+\frac xn\right)^n$.
- Démontrer que, pour tout $x\geq 0$, $f_n(x)\to e^x$ et que $|f_n(x)|\leq e^x$.
- En déduire, pour $b>1$, la limite de $\int_0^{+\infty}\left(1+\frac xn\right)^n e^{-bx}dx$.
Enoncé
Pour $n\geq 1$ et $x\in [0,1]$, on pose $f_n(x)=nx(1-x)^n$.
- Démontrer que, pour tout $x\in [0,1]$ et tout $n\geq 1$, on a $|f_n(x)|\leq 1$.
- En déduire $\lim_{n\to+\infty}\int_0^1 nx(1-x)^n dx$.
Enoncé
Déterminer la limite des suites suivantes :
$$\begin{array}{lll}
\mathbf{1.}\ \left(\int_0^{+\infty}\frac{dx}{x^n+e^x}\right)&\quad\quad&\mathbf{2.}\ \left(\int_0^{+\infty}\frac{dx}{(1+x^2)\sqrt[n]{1+x^n}}\right)
\end{array}$$
Enoncé
Déterminer la limite des suites suivantes :
$$\begin{array}{lll}
\mathbf{1.}\quad \left(\int_0^{+\infty}\arctan(nx)e^{-x^n}dx\right)&\quad\quad&
\mathbf{2.}\quad \left(\int_0^{+\infty}\frac{x^n}{1+x^{n+2}}dx\right)
\end{array}$$
Enoncé
Déterminer la limite, quand $n\to+\infty$, de
$$\int_0^n \left(1-\frac{x}{n}\right)^n dx.$$
Enoncé
Soit $f:[0,+\infty[\to\mathbb R$ continue.
- On suppose que $f$ admet une limite $\ell$ en $+\infty$. Déterminer $$\lim_{n\to+\infty}\frac 1n\int_0^n f(t)dt.$$
- On suppose que $f$ est bornée et que $f\geq 0$. Déterminer $$\lim_{n\to+\infty}\int_0^{+\infty}nf(t)e^{-nt}dt.$$
Enoncé
Soit la fonction $\Gamma$ définie pour $x>0$ par
$$\Gamma(x)=\int_0^{+\infty}t^{x-1}e^{-t}dt.$$
En introduisant $I_n(x)=\int_0^n \left(1-\frac{t}{n}\right)^n t^{x-1}dt$, démontrer que
$$\Gamma(x)=\lim_{n\to+\infty}\frac{n! n^x}{x(x+1)\dots(x+n)}.$$
Enoncé
Soit $]a,b[$ un intervalle non-vide de $\mathbb R$. Soient $(a_n)$ et $(b_n)$ deux suites de nombres réels.
On suppose que pour tout $x\in]a,b[$,
$$\lim_{n\to+\infty}\big(a_n \sin(nx)+b_n\cos(nx)\big)=0.$$
On souhaite prouver que $(a_n)$ et $(b_n)$ convergent vers $0$.
On raisonne par l'absurde et on suppose que ce n'est pas le cas.
- Démontrer qu'il existe une suite strictement croissante d'entiers $(n_k)$ telle que, pour tout $x\in]a,b[$, la suite $$f_k(x)=\frac{\big(a_{n_k}\sin(n_kx)+b_{n_k}\cos(n_kx)\big)^2}{a_{n_k}^2+b_{n_k}^2}$$ tende vers 0 pour tout $x\in]a,b[$.
- En calculant de deux façons différentes $\lim_{k\to+\infty}\int_a^b f_k(x)dx$, trouver une contradiction.
Enoncé
Soit $(a_n)$ une suite de $]0,+\infty[$ qui converge vers 0.
Soit $f:\mathbb R^+\to\mathbb R$ continue et bornée. Déterminer
la limite de $\displaystyle \int_0^{+\infty}\frac{a_nf(x)}{a_n^2+x^2}dx$.
Équivalent et développement asymptotique d'intégrales à paramètres
Enoncé
Pour $n\geq 1,$ on pose $\displaystyle I_n=\int_1^{+\infty}\frac{dx}{nx^2+\sqrt x}$. Déterminer un équivalent simple de $I_n$ lorsque $n$ tend vers $+\infty$.
Enoncé
Démontrer l'égalité suivante :
$$\lim_{n\to+\infty} n\int_1^{+\infty}e^{-x^n}dx=\int_1^{+\infty}\frac{e^{-x}}xdx.$$
Enoncé
Soit $f:\mathbb R_+\to\mathbb R$ une fonction continue et bornée.
- On pose $I_n=n\int_0^{+\infty}f(x)e^{-nx}dx$. Déterminer $\ell=\lim_{n\to+\infty}I_n$.
- On suppose de plus que $f$ est $\mathcal C^1$, de dérivée bornée, et vérifie $f'(0)\neq 0$. Déterminer un équivalent de $\ell-I_n$.
- On ne suppose plus que $f$ est $\mathcal C^1$, mais uniquement que $f$ est dérivable en $0$ avec $f'(0)\neq 0$. On définit $g$ sur $\mathbb R_+$ par $g(t)=\frac{f(t)-f(0)}{t}$ si $t>0$ et $g(0)=f'(0)$.
- Justifier que $g$ est bornée.
- Démontrer que le résultat obtenu à la question précédente reste vrai.
Enoncé
On pose, pour $n\geq 1$,
$$I_n=\int_0^1 \frac{1}{1+t^n}dt.$$
- Déterminer $\ell=\lim_{n\to+\infty}I_n$.
- Déterminer un équivalent de $\ell-I_n$.
Exercice 15 - Limite, équivalent, développement limité [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Soit $f:[0,1]\to\mathbb R$ une fonction continue et strictement positive. Pour $n\geq 1,$ on pose
$$I_n=\int_0^1 \sin\left(\frac{f(t)}{n}\right)dt.$$
- Déterminer la limite de $I_n$.
- Déterminer un équivalent simple $J_n$ de $I_n$.
- Déterminer un équivalent de $I_n-J_n$.
Enoncé
Donner un développement asymptotique à deux termes de $\displaystyle I_n=\int_0^{+\infty}\frac{e^{-x}}{x+n}dx.$
Permutation séries et intégrales
Exercice 17 - Deux versions de la permutation séries/intégrales [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
- Démontrer que $\displaystyle \int_0^1\frac{\ln(t)}{t-1}dt=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac 1{(n+1)^2}.$
- Démontrer que $\displaystyle \int_0^1\frac{\ln(t)}{t+1}dt=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac {(-1)^{n+1}}{(n+1)^2}.$
Enoncé
-
- Démontrer que $$\sum_{n=0}^{+\infty}\int_0^1 x^{2n}(1-x)dx=\int_0^1\frac{dx}{1+x}.$$
- En déduire que $$\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{(-1)^{k+1}}{k}=\ln 2.$$
- En calculant de deux façons $\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n\int_0^1 x^{2n}(1-x)dx$, déterminer la valeur de la somme $$\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{(2n+1)(2n+2)}.$$
Exercice 19 - Des limites du théorème d'intégration terme à terme [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
On souhaite dans cet exercice démontrer l'égalité suivante :
$$\int_1^{+\infty}\frac1{1+t^3}dt=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{3n+2}.$$
Pour cela, on veut partir de l'égalité
$$\frac1{1+t^3}=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{t^{3n+3}}$$
valide pour $t>1$.
- Expliquer pourquoi on ne peut pas appliquer le théorème d'intégration terme à terme.
- Pour $n\geq 0$ et $t>1,$ on pose $R_n(t)=\sum_{k=n+1}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{t^{3n+3}}.$ Démontrer que $\int_1^{+\infty}R_n(t)dt$ tend vers $0$, et conclure.
Enoncé
Soit $(a_n)$ une suite de nombres complexes telle que $\sum_n a_n n!$ converge absolument.
Démontrer que
$$\int_0^{+\infty}\left(e^{-x}\sum_{n=0}^{+\infty}a_nx^n\right)dx=\sum_{n=0}^{+\infty}a_n n!.$$
Enoncé
- Démontrer que $\int_0^{+\infty}\frac{t}{e^t-1}dt=\sum_{n\geq 1}\frac 1{n^2}$.
- Plus généralement, démontrer que, pour tous $a,b>0$, on a $$\int_0^{+\infty}\frac{te^{-at}}{1-e^{-bt}}dt=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac 1{(a+bn)^2}.$$
Exercice 22 - Après un développement en série entière [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Démontrer que $\int_0^{+\infty}\cos(\sqrt x)e^{-x}dx=\sum_{n=0}^{+\infty}(-1)^n \frac{n!}{(2n)!}$.
Enoncé
Démontrer que $\int_0^1 \ln(x)\ln(1-x)dx=\sum_{n\geq 1}\frac{1}{n(n+1)^2}.$
Exercice 24 - Sans le théorème d'intégration terme à terme [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Soient $a$ et $b$ deux réels strictement positifs.
- Pour $t\in ]0,1[$, écrire $\frac{t^{a-1}}{1+t^b}$ comme somme d'une série $\sum_{n\geq 0}u_n(t)$.
- Déterminer la nature de la série $\sum_{n\geq 0}\int_0^1 |u_n(t)|dt$. Que peut-on en déduire?
- On pose $S_N(t)=\sum_{n=0}^N u_n(t)$. Démontrer que $$\int_0^1 \frac{t^{a-1}}{1+t^b}dt=\lim_{N\to+\infty}\int_0^1 S_N(t)dt.$$
- En déduire que $$\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{a+nb}=\int_0^1 \frac{t^{a-1}}{1+t^b}dt$$ puis la valeur de $\sum_{n\geq 0}\frac{(-1)^n}{3n+1}$.
Enoncé
Soit $\theta$ un réel non congru à $0$ modulo $2\pi$.
- Démontrer que $$\Re e\left(\int_0^1 \frac{e^{i\theta}}{1-e^{i\theta}x}dx\right)=-\ln\left|2\sin\frac{\theta}2\right|.$$
- Démontrer que $$\sum_{n=0}^{+\infty}\int_0^1e^{i(n+1)\theta}x^n=\int_0^1 \frac{e^{i\theta}}{1-e^{i\theta}x}dx.$$
- Conclure que $$\sum_{n\geq 1}\frac{\cos(n\theta)}{n}=-\ln\left|2\sin\frac{\theta}{2}\right|.$$
Exercice 26 - Limite, équivalent, permutation séries/intégrales [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Pour $n\geq 1,$ on pose $\displaystyle I_n=\int_0^1 \ln(1+t^n)dt$.
- Démontrer que la suite $(I_n)$ converge et déterminer sa limite.
- Démontrer que $\displaystyle I_n\sim_{+\infty}\frac 1n\int_0^1 \frac{\ln(1+u)}{u}du.$
- On admet que $\displaystyle \sum_{n\geq 1}\frac{(-1)^{n-1}}{n^2}=\frac{\pi^2}{12}$. Démontrer que $\displaystyle I_n\sim_{+\infty}\frac{\pi^2}{12n}.$
Enoncé
Le but de cet exercice est de démontrer la remarquable identité :
$$\int_0^1\frac{dx}{x^x}=\sum_{m=1}^{+\infty}\frac1{m^m}.$$
- Justifier la convergence de chacun des membres de l'égalité précédente.
- Pour $p$ et $q$ des entiers naturels, on pose $I(p,q)=\int_0^1 x^p(\ln x)^qdx$; justifier la convergence de cette intégrale.
- Calculer $I(m,0)$ pour $m\in\mathbb N$.
- En déduire la valeur de $I(p,q)$ pour tout couple $(p,q)\in\mathbb N^2$.
- En développant $\frac{1}{x^x}$ en série, justifier que $$\int_0^1\frac{dx}{x^x}=\sum_{n=0}^{+\infty}\frac{(-1)^n}{n!}I(n,n).$$
- Conclure.
Théorème de convergence monotone
Enoncé
- Démontrer que $$\sum_{n=0}^{+\infty}\int_0^1 x^{2n}(1-x)dx=\int_0^1\frac{dx}{1+x}.$$
- En déduire que $$\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{(-1)^{k+1}}{k}=\ln 2.$$
Enoncé
Démontrer que $\int_0^1 \ln(x)\ln(1-x)dx=\sum_{n\geq 1}\frac{1}{n(n+1)^2}.$
Exercice 30 - Limite suivant la valeur d'un paramètre [Signaler une erreur] [Ajouter à ma feuille d'exos]
Enoncé
Déterminer, suivant la valeur de $\alpha\in\mathbb R$, la limite lorsque $n$ tend vers $+\infty$, de
$$\int_{0}^1 \left(x^\alpha+\frac{e^x}n\right)^{-1}dx.$$
Enoncé
On rappelle que les fonctions $\Gamma$ et $\zeta$ sont définies respectivement sur $]0,+\infty[$ et sur $]1,+\infty[$ par
$$\Gamma(x)=\int_0^{+\infty}e^{-t}t^{x-1}dt\textrm{ et }\zeta(x)=\sum_{n\geq 1}n^{-x}.$$
Démontrer que, pour tout $x>1$,
$$\zeta(x)\Gamma(x)=\int_0^{+\infty}\frac{t^{x-1}}{e^t-1}dt.$$
Lemme de Fatou
Enoncé
Soit $f:\mathbb R\to\mathbb R$ mesurable croissante.
- On suppose que $f$ est continue en $a$. Démontrer que $$\lim_{h\to 0} h^{-1}\int_a^{a+h}f(t)dt=f(a).$$
- On suppose que $f$ est continue en $0$, en $1$, et est dérivable presque partout. Démontrer que $$\int_0^1 f'(x)dx\leq f(1)-f(0).$$