Résumé de cours : Intégration sur un segment
Fonctions uniformément continues
Soit $I$ un intervalle de $\mathbb R$ et $f:I\to\mathbb R$. On dit que $f$ est uniformément continue si $$\forall\veps>0,\ \exists\eta>0,\ \forall (x,y)\in I^2,\ |x-y|<\eta\implies |f(x)-f(y)|<\veps.$$
Soit $I$ un intervalle de $\mathbb R$ et $f:I\to\mathbb R$. On dit que $f$ est lipschitzienne s'il existe $k>0$ tel que, pour tous $x,y\in I$, on a $|f(x)-f(y)|\leq k|x-y|$.
Proposition : Toute fonction lipschitzienne est uniformément continue.
Théorème de Heine : Toute fonction continue sur un segment $[a,b]$ est uniformément continue.
Fonctions continues par morceaux
- On appelle subdivision du segment $[a,b]$ toute suite finie $a_0=a<a_1<\dots<a_n=b$. Le pas de cette subdivision est le plus grand des $a_{i+1}-a_i$.
- On dit que $f:[a,b]\to\mathbb R$ est continue par morceaux sur $[a,b]$ s'il existe une subdivision $a_0=a<a_1<\dots<a_n=b$ de $[a,b]$ telle que la restriction de $f$ à chaque intervalle $]a_i,a_{i+1}[$ est continue et admet une limite en $a_i$ et en $a_{i+1}$.
- On dit que $f:[a,b]\to\mathbb R$ est une fonction en escalier sur $[a,b]$ s'il existe une subdivision $a_0=a<a_1<\dots<a_n=b$ de $[a,b]$ telle que la restriction de $f$ à chaque intervalle $]a_i,a_{i+1}[$ est constante.
Intégrale d'une fonction continue
- Une fonction $f:[a,b]\to\mathbb R$ est en escalier s'il existe une subdivision $\sigma=(c_0=a<c_1<\dots<c_n=b)$ de $[a,b]$ telle que $f$ soit constante sur chaque intervalle $]c_i,c_{i+1}[$. On dit alors que $\sigma$ est une subdivision adaptée à $f$.
- Si $f:[a,b]\to\mathbb R$ est en escalier et si $\sigma=(c_0=a<c_1<\dots<c_n=b)$ est une subdivision adaptée à $f$, on appelle intégrale de $f$ sur $[a,b]$ le réel $$\int_a^b f=\sum_{i=0}^{n-1} (c_{i+1}-c_i)f(x_i)$$ où $x_i$ est n'importe quel réel de l'intervalle $]c_i,c_{i+1}[$. Remarquons que le nombre $\sum_{i=0}^{n-1} (c_{i+1}-c_i)f(x_i)$ ne dépend pas d'une subdivision adaptée à $f$, ce qui justifie que notre définition est correcte.
- Le théorème suivant est fondamental pour passer de l'intégrale d'une fonction en escalier à l'intégrale d'une fonction continue.
Théorème : Soit $f:[a,b]\to\mathbb R$ une fonction continue. Alors pour tout $\veps>0$, il existe deux fonctions en escalier $\phi$ et $\psi$ définies sur $[a,b]$ telles que $$\phi\leq f\leq \psi\textrm{ et }\psi-\phi\leq \veps.$$
- Théorème et définition : Soit $f:[a,b]\to\mathbb R$ une fonction continue et posons \begin{eqnarray*} \mathcal I^-(f)&=&\left\{\int_a^b \phi;\ \phi:[a,b]\to \mathbb R\textrm{ en escalier}, \phi\leq f\right\}\\ \mathcal I^+(f)&=&\left\{\int_a^b \psi;\ \psi:[a,b]\to \mathbb R\textrm{ en escalier}, \psi\geq f\right\}. \end{eqnarray*} Alors $\mathcal I^-(f)$ est majoré et $\mathcal I^+(f)$ est minoré. De plus, $$\sup \mathcal I^-(f)=\inf \mathcal I^+(f).$$ Ce nombre est appelé intégrale de $f$ sur $I$ et est noté $\int_a^b f$ ou $\int_a^b f(t)dt$.
Propriétés fondamentales de l'intégrale des fonctions continues sur un segment
Soit $a<b$ deux réels et $f,g:[a,b]\to\mathbb C$ deux fonctions continues par morceaux sur le segment $[a,b]$. Alors l'intégrale vérifie les propriétés suivantes :
- linéarité : pour tout couple $(\alpha,\beta)\in\mathbb R^2$, $$\int_a^b \big(\alpha f+\beta g)=\alpha\int_a^b f+\beta\int_a^b g.$$
- positivité : si $f\geq 0$, alors $\int_a^b f\geq 0$.
- croissance : si $f\leq g$, alors $\int_a^b f\leq \int_a^b g$.
- En particulier, on en déduit que $$\left|\int_a^b f\right|\leq \int_a^b |f|.$$
- Relation de Chasles : si $c\in [a,b]$, alors $$\int_a^b f=\int_a^c f+\int_c^b f.$$
Théorème : L'intégrale sur un segment d'une fonction continue de
signe constant est nulle si et seulement si cette fonction est nulle.
Proposition : Soit $f:[-a,a]\to\mathbb C$ une fonction continue par morceaux.
- si $f$ est impaire, $\int_{-a}^a f(t)dt=0$.
- si $f$ est paire, $\int_{-a}^a f(t)dt=2\int_0^a f(t)dt$.
Proposition : Soit $f:\mathbb R\to\mathbb C$ une fonction continue par morceaux et
$T$-périodique, où $T>0$. Alors, pour tout $a\in\mathbb R$,
$$\int_a^{a+T}f(t)dt=\int_0^T f(t)dt.$$
Sommes de Riemann
Théorème : Soit $f$ une fonction continue par morceaux sur le segment $[a,b]$ à valeurs
dans $\mathbb C$.
Alors
$$\frac {b-a}n\sum_{k=0}^{n-1}f\left(a+k\frac{b-a}n\right)\to\int_a^b f(t)dt.$$