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Cours en ligne Maths en Maths Spé

Chapitres Maths en MP, PSI, PC, TSI, PT

Équivalents
Algèbre linéaire et matrices
Séries numériques
Espaces vectoriels
Réduction endomorphismes
Matrices
Espaces vectoriels normés
Suites et séries de fonctions
Intégration intervalle quelconque
Séries entières
Dénombrement
Intégrales à paramètre
Variables aléatoires
Probabilités
Espaces préhilbertiens
Espaces euclidiens
Fonctions de variables
Courbes paramétrées
Équations différentielles linéaires
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Cours Intégrales à paramètre MP, PC, PSI, PT

Résumé de cours Exercices et corrigés

Résumé de cours et méthodes – Intégrales à paramètres

I- Continuité des intégrales à paramètres en maths spé

1.1. Continuité

Soient I un intervalle de \mathbb{R} et soit A une partie non vide d’un espace vectoriel de dimension finie.
Soit  f : A \times I \to \mathbb{K}.
\ast (a) si pour tout x \in A, t \mapsto f(x , \, t) est continue par morceaux sur I
\ast (b) si pour tout t \in I, x \mapsto f(x ,\, t) est continue sur A
\ast (c) s’il existe une fonction \varphi , continue par morceaux sur I et intégrable sur I telle que \quad \forall \, (x , t) \in A \times I, \vert f(x , \, t)\vert \leq \varphi (t),

Conclusion
\ast \ast la fonction g : x \mapsto \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t est définie sur \mathcal{V} et continue en a.

Pour la continuité en un point : 
Soit I un intervalle de \mathbb{R} et soit A une partie non vide d’un espace vectoriel de dimension finie et a \in A.
Soit f : A \times I \to \mathbb{K}.
\ast (a)si pour tout x \in A, t \mapsto f(x , \, t) est continue par morceaux sur I.
\ast (b) si pour tout t \in I, x \mapsto f(x ,\, t) est continue en a
\ast (c) s’il existe un voisinage \mathcal{V} de a et une fonction \varphi, continue par morceaux sur I et intégrable sur I telle que \quad \forall \, (x , t) \in \mathcal{V} \times I, \vert f(x , \, t)\vert \leq \varphi (t),

Conclusion
\ast \ast la fonction g : x \mapsto \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t est définie sur \mathcal{V} et continue en a.

Dans la plupart des exercices, A est un intervalle et on peut utiliser la forme  énoncée dans le sous-paragraphe suivant.

1.2. Cas général

Soit I un intervalle de \mathbb{R} et soit A un intervalle de \mathbb{R}.
Soit  f : A \times I \to \mathbb{K}.
\ast (a) si pour tout x \in A, t \mapsto f(x , \, t) est continue par morceaux sur I
\ast (b) si pour tout t \in I, x \mapsto f(x ,\, t) est continue sur A
\ast (c) hypothèse de domination globale 
s’il existe une fonction \varphi, continue par morceaux et intégrable sur I, telle que \forall \, (x , t) \in A \times I, \vert f(x , \, t)\vert \leq \varphi (t),
          ou 
\ast (c’) hypothèse de domination locale 
si pour tout segment S inclus dans A, il existe une fonction \varphi, continue par morceaux sur I et intégrable sur I, telle que \forall \, (x , t) \in S \times I, \vert f(x , \, t)\vert \leq \varphi (t),

Conclusion :
\ast \ast la fonction g : x \mapsto   \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t est définie et continue sur A.

Lorsque l’intervalle A est ouvert ou non borné, il est courant de raisonner par domination locale.

Important : si f est continue sur A \times I, les hypothèses de continuité contenues dans (a) et (b) sont vérifiées.

1.3. Cas particulier

Soit I = [a ,\,  b] un segment de \mathbb{R} et soit A un intervalle de \mathbb{R}.
Soit f : A\times I \to \mathbb{K} continue.
La fonction \quad \quad g : A \to \mathbb{K}, \; x \mapsto \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t
est continue sur A.

1.4. Exemple : la fonction \Gamma

\Gamma : x \mapsto  \int_0^{+\infty} t^ {x - 1} \textrm{ e} ^ {- t}\, \textrm{d} \, t.
Retrouver le domaine de définition de la fonction  \Gamma.
Démontrer qu’elle est continue.

 

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2. Dérivabilité des intégrales à paramètres

2.1. Cas général

Soient I et A deux intervalles de \mathbb{R}.
Soit f : A \times I \to \mathbb{K}.
Hypothèses :
\ast (a) si pour tout x \in A, t \mapsto f(x , \, t) est continue par morceaux et intégrable sur I,
\ast (b) si pour tout t \in I, x \mapsto f(x ,\, t) est de classe C^1 sur A,
\ast (c) si pour tout x \in A, t \mapsto \displaystyle \frac {\partial f} {\partial x} (x , \, t) est continue par morceaux sur I,
\ast (d) hypothèse de domination globale 
s’il existe une fonction \varphi, continue par morceaux sur I et intégrable sur I, telle que \displaystyle \forall \, (x , t) \in A \times I, \;\left \vert \frac {\partial f} {\partial x}(x , \, t) \right \vert \leq \varphi (t)
  ou 
\ast (d’) hypothèse de domination locale 
si pour tout segment S inclus dans A, il existe une fonction \varphi, continue par morceaux sur I et intégrable sur I telle que \displaystyle \forall \, (x , t) \in S \times I, \;\left \vert \frac {\partial f} {\partial x}(x , \, t)\right \vert \leq \varphi (t)

Conclusion :
\ast \ast pour tout x \in A, la fonction \displaystyle t \mapsto \frac {\partial f} {\partial x}(x ,\, t) est intégrable sur I
\ast \ast la fonction g, définie sur A par \forall \, x \in A, \; g(x) = \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t, est de classe C^1 sur A,
et \displaystyle \forall \, x \in A, \; g'(x) = \int_I \frac {\partial f} {\partial x}(x,\, t) \, \textrm{d} \, t.

👍 Si f est de classe C^1 sur A \times I, les hypothèses de continuité contenues dans (a), (b)  et (c) sont vérifiées. (nécessite le cours sur les fonctions de plusieurs variables).

2.2. Cas particulier

Soit I = [a ,\, b] un segment de \mathbb{R} et soit A un intervalle de \mathbb{R}.
Soit f : A \times I \to \mathbb{K} continue telle que la fonction \displaystyle \frac {\partial f} {\partial x} est définie et continue sur A \times I .
g : A \to \mathbb{R}, \; x \mapsto \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t est de classe C^1 sur A et \quad \displaystyle \forall \, x \in A, \; g'(x) = \int_I \frac {\partial f} {\partial x}(x,\, t) \, \textrm{d} \, t.

3. Généralisation aux fonctions de classe C^k – intégrales à paramètres

3.1. Théorème

Présentation avec une domination locale :
Soient I et A deux intervalles de \mathbb{R}.
Soit k \in \mathbb{N}, \; k\geq 2.
On considère f : A \times I \to \mathbb{K}.
Hypothèses 
\ast si pour tout t \in I, x \mapsto f(x ,\, t) est de classe C^k sur A,
\ast si pour tout x \in A, t \mapsto f(x ,\, t) et les fonctions t \mapsto \displaystyle \frac {\partial^i f} {\partial x^i } (x , \, t) où 1 \leq i \leq k - 1 sont continues par morceaux et intégrables sur I,
\ast si pour tout x \in A, t \mapsto \displaystyle \frac {\partial^k f} {\partial x^k } (x , \, t) est continue par morceaux sur I et si pour tout segment S inclus dans A, il existe une fonction \varphi continue par morceaux et intégrable sur I telle que
\quad \forall (x , \, t) \in S \times I,\; \displaystyle \left \vert \frac {\partial^k f} {\partial x^k } (x , \, t \right \vert \leq \varphi(t),

conclusion 
\ast \ast pour tout x \in A, la fonction \displaystyle t \mapsto \frac {\partial f^k } {\partial x^k }(x ,\, t) est intégrable sur I
\ast \ast la fonction g, définie sur A par \forall \, x \in A, \; g(x) = \int_I f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t, est de classe C^k sur A et \displaystyle \forall\,  i \in [\![1 , \, k]\!],
\displaystyle  \forall \, x \in A, \; g^{(i)} (x) = \int_I \frac {\partial f^i } {\partial x^i }(x,\, t) \, \textrm{d} \, t.

3.2. Application à la fonction \Gamma.

Montrer que la fonction \Gamma est de classe C^2 sur \mathbb{R}^{+*}.

Pour réussir en Maths Spé, il est important de revenir régulièrement sur l’ensemble des chapitres de maths au programme de Maths en Maths Spé. Les cours en ligne de PT en Maths, les cours en ligne de Maths en PC, ou les cours en ligne de Maths en PSI ou encore les cours en ligne de Maths en MP, permettent aux étudiants de pouvoir revoir les grandes notions de cours rapidement et efficacement.

4. Étude d’une intégrale à paramètre

On se place dans le cas où \quad \quad \quad F(x) = \int_a ^b f(x , \, t) \, \textrm{d} \, t.

\bullet M1. Comment donner le domaine de définition \mathcal{D} de F ?
Il s’agit de déterminer l’ensemble \mathcal{D} des x tels que la fonction t \mapsto f(x ,\, t) soit intégrable sur I. Attention t est la variable d’intégration et x est un paramètre.

\bullet M2. On étudie la continuité de F sur \mathcal{D}, en utilisant le paragraphe I.

\bullet M3. Si l’on demande d’étudier la monotonie de F en demandant seulement dans une question située plus loin de prouver que F est dérivable : on prend x < y dans \mathcal{D} et on étudie le signe de F(y) - F(x) en étudiant le signe sur I de la fonction t \mapsto f(y , t) - f(x , t).

Exercice

Soit \displaystyle F(x) = \int_{ 1} ^{ +\infty} \frac 1 {1 + t ^x} \, \textrm{d} \, t.
Domaine de définition et sens de variation de F.

\bullet M4. On démontre que la fonction F est de classe C^1 en utilisant le § 2, de classe C^n en utilisant le § 3.
Dans certains cas, il est possible de calculer l’intégrale définissant F'(x) et d’en déduire par intégration la fonction F, en déterminant la constante d’intégration.

\bullet M5. Pour déterminer la limite de la fonction F en une des bornes c de \mathcal{D} :
\ast M5.1. Il est parfois possible d’encadrer F(x) par deux fonctions admettant même limite en c, ou de minorer F(x) par une fonction qui tend vers +\infty en c, ou de la majorer par une fonction qui tend vers - \infty en c.

\ast M5.2. On applique la généralisation du théorème de convergence dominée.
On se place sur un intervalle A \subset \mathcal {D} de borne c. On vérifie que :
… pour tout x \in A, \; t \mapsto f(x , t) est continue par morceaux sur I,
… pour tout t \in I, \; x \mapsto f(x , t) admet une limite en c notée g(t) et que la fonction g est continue par morceaux sur I.
… On cherche une fonction \varphi continue par morceaux et intégrable sur I telle que \forall \,  (x, t) \in A \times I, \; \vert f(x , \, t) \vert \leq \varphi(t).
Alors F admet une limite en c et \quad \displaystyle \lim_{x \to c} F(x) = \int_a ^b \lim_{x \to c} f(x , t) \, \textrm{d} \, t.

Exercice

Si x > 1, \displaystyle F(x) = \int_{ 1} ^{ +\infty} \frac 1 {1 + t ^x} \, \textrm{d} \, t.  Déterminer les limites aux bornes de la fonction F.

\bullet M6. Dans quelques cas particuliers, on peut ramener l’étude de x \mapsto \int_a ^b f(x ,\, t) \, \textrm {d} \, t à l’étude d’une fonction de la forme x \mapsto \int_{u(x)} ^{v(x)} g(t) \, \textrm {d} \, t.

Exemple 1 🧡
Si x \in [0 , \, 1], \quad \quad g(x) = \int_ 0 ^1 \min(x , \, t) f(t) \, \textrm {d} \, t
où f est continue sur [0 , \, 1].
Dérivée de g .

Exemple 2
g(x)= \int_{ 0}^ {1}\cos(t) f(x + t) \, \textrm {d} \, t  où f est continue sur \mathbb{R}. Dérivabilité de g.

 

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5. Fin de l’étude de la fonction \Gamma

On a déjà prouvé que \Gamma est de classe C^2  sur ]0 , +\infty[ (on pourrait démontrer qu’elle est C ^{\infty}).
Dans le chapitre Intégration sur un intervalle quelconque, on a prouvé que
pour tout x > 0, \; \Gamma(x + 1) = x\, \Gamma(x).
pour tout n \in \mathbb{N}^*, \, \Gamma (n) = (n - 1)!.

\bullet Signe de \Gamma'. 
Comme tout x > 0, \, \Gamma''(x) > 0 (car on intègre une fonction continue positive ou nulle est différente de la fonction nulle), \Gamma' est strictement croissante sur \mathbb{R}^{+*}.
Comme \Gamma(1) = \Gamma(2) = 1, le théorème de Rolle assure l’existence de a \in \; ]1 , \, 2[ tel que \Gamma'(a) = 0.
La stricte croissance de \Gamma' assure que \Gamma'(x) < 0 si x < a et \Gamma'(x) > 0 si x > a.
La fonction \Gamma' est strictement croissante et s’annule en a\in \;  ]1 , \, 2[.
\Gamma est strictement décroissante sur ]0 , \, a] et strictement croissante sur [a, \, +\infty[.
On peut démontrer que a \approx 1.45 et \Gamma(a) \approx 0.866.

\bullet Étude aux bornes :
\ast En utilisant la continuité de \Gamma en 1, \Gamma(1) = 1 et la relation \quad \quad \quad \displaystyle \Gamma(x) = \frac {\Gamma(x + 1) } x,
\quad \quad \quad \Gamma(x) \underset {x \to 0} \sim \displaystyle \frac 1 x,
ce qui donne \displaystyle \lim_{x\to 0} \Gamma(x) = +\infty.
La courbe admet une asymptote d’équation x = 0.

\ast Soit x \geq 2 et p la partie entière de x.
Par croissance de \Gamma sur [2 , +\infty[, \Gamma(x) \geq \Gamma(p) donc
\quad \Gamma(x) \geq (p - 1)! \geq (x - 2)(x - 3).
Cette minoration donne :
\displaystyle \lim_{x\to \infty} \Gamma(x) = +\infty et \displaystyle \lim_{x\to \infty} \frac {\Gamma(x)} x = +\infty.
La courbe représentative de \Gamma admet une branche parabolique de direction Oy.

\bullet La fonction \ln \circ \, \Gamma est convexe.

6. Autres types de fonctions définies avec une intégrale

On se place dans le cas où F est définie par F(x) = \displaystyle \int _{u(x)}^{v(x)} f(t) \, \textrm{d}\,t, f étant continue.

6.1. Domaine de définition.

\ast On cherche le domaine de définition \Delta de f. On suppose dans la suite que f est continue sur \Delta.
\ast Puis on détermine l’ensemble des x tels que u(x) et v(x) soient définis et tels que le segment d’extrémités u(x) et v(x) soit inclus dans un intervalle I sur lequel f est continue.

On note \mathcal{D} le domaine de définition de F.

⚠️ : les domaines \Delta et \mathcal{D} peuvent être distincts.

exemple f : t \mapsto t \sqrt{ \vert \ln (t)\vert }, 0 \mapsto 0 est continue sur \mathcal{D} = \mathbb{R}^+.
Trouver le domaine de définition de \displaystyle F : x \mapsto \int_{1 - x } ^{x^2} f(t) \, \textrm{d}\,t.

6.2. Comment trouver la limite de F lorsque u et v ont même limite L et où \displaystyle \lim_{t \to L} \vert f(t) \vert =  +\infty ? 

Hypothèses :
L \in \mathbb{R}\,, \displaystyle \lim_{x\to a} u(x) = \lim_{x\to a} v(x) = L et \displaystyle \lim_{t \to L} \vert f(t) \vert = + \infty.

\bullet M1. On cherche un équivalent simple noté g(t) de f(t) lorsque t tend vers L. On note h(t) = f(t) - g(t).
On démontre que h est prolongeable par continuité en L. On détermine un intervalle I contenant L sur lequel h est continue et on introduit une primitive H de h sur I. On vérifie que (u(x) , \, v(x)) \in I^ 2 lorsque x tend vers a et en écrivant \displaystyle \int_{u(x)} ^{v(x)} h(t) \, \textrm{d} \,t = H(v(x) ) - H(u(x)),
on obtient
\displaystyle \lim_{x \to a} \int_{u(x)} ^{v(x)} h(t) \, \textrm{d} \,t = H(L) - H(L) = 0
Il reste à trouver \displaystyle \lim_{x \to a} \int_{u(x)} ^{v(x)} g(t) \, \textrm{d} \,t pour trouver la limite de F en a.

exemple : 
Limite en 0 de x \mapsto \displaystyle \int_x^{3 x} \frac {\cos(t)} t \, \textrm{d} \, t.

\bullet M2. On peut aussi chercher à encadrer f(t) et en déduire un encadrement de F(x) par deux fonctions ayant même limite.

Exemple :
Appliquer une méthode d’encadrement à  F(x) = \displaystyle \int_x^{3 x} \frac {\cos(t)} t \, \textrm{d} \, t pour en retrouver la limite en 0.

\bullet M3. Si f est intégrable sur [\alpha ,\, L[ ou sur ]L ,\,  \alpha] où \alpha \in \Delta (\Delta est le domaine de continuité de f), on note K = \int_{\alpha} ^L f(t) \, \textrm{d} \, t et on écrit F(x) = \displaystyle \int _{\alpha}^{v(x)} f(t) \, \textrm{d}\,t - \int _{\alpha}^{u(x)} f(t) \, \textrm{d}\,t.
Quand x tend vers a, comme u(x) et v(x) admettent L pour limite, F(x) admet K - K = 0 pour limite lorsque x tend vers a.

exemple : F : x \mapsto \displaystyle \int_{x^2} ^{x} \frac 1 {\sqrt{1 - t ^3}} \, \textrm{d}\,t
Trouver le domaine de définition et étudier la limite de F aux bornes.

6.3. Calcul de la dérivée.

Introduire une primitive \Phi de f sur un intervalle I à préciser et écrire F(x) = \Phi (v(x)) - \Phi(u(x)) ; dériver alors les fonctions composées ainsi obtenues.

exemple :
Dérivée de la fonction définie par F(x) = \displaystyle \int_x^{3 x} \frac {\cos(t)} t \, \textrm{d} \, t si x \neq 0  et F(0) = \ln(3).

6.4. Comment trouver la limite de F en a lorsque u et v tendent vers \infty ?

Hypothèses : \displaystyle \lim_{x \to a} u(x) = \lim_{x \to a} v(x) = \varepsilon \; \infty où \varepsilon = \pm 1

\bullet M1. Lorsque la fonction f est monotone, on encadre f(t) entre f(u(x)) et f(v(x)) (il faut faire attention à la position relative des réels u(x) et v(x)), puis on intègre entre u(x) et v(x) (toujours en faisant attention à la position relative de u(x) et v(x)), de façon à obtenir un encadrement de F(x).
On saura trouver la limite de F(x)
\ast lorsque les deux fonctions encadrant F ont même limite,
\ast ou lorsqu’on a minoré F par une fonction admettant +\infty pour limite en a
\ast ou lorsqu’on a majoré F par une fonction admettant - \infty pour limite en a

exemple : Soit \displaystyle F : x \mapsto \int _x ^{2 x} \frac {\textrm{exp}(t)} t \, \textrm{d} \, t et F(0) = \ln(2).
Déterminer les limites de F en \pm \infty.

\bullet M2. S’il existe \alpha tel que f soit intégrable sur I = [\alpha , \, +\infty[ (resp. sur I = ]- \infty , \, \alpha]), on note \quad \quad K = \int _{\alpha}^{+\infty } f(t) \, \textrm{d}\,t \quad \quad (\textrm{resp.} \; K' = \int _{- \infty}^{\alpha} f(t) \, \textrm{d}\,t).
On écrit que \displaystyle F(x) = \int _{\alpha}^{v(x)} f(t) \, \textrm{d}\,t - \int _{\alpha}^{u(x)} f(t) \, \textrm{d}\,t ; F(x) admet K - K = 0 pour limite si v(x) et u(x) tendent vers +\infty
(resp. - K' + K' = 0 si u(x) et v(x) tendent vers - \infty).

exemple : \displaystyle F : x \mapsto \int _x ^{2 x} \frac {\textrm{exp}(t)} t \, \textrm{d} \, t. Étude de la limite en - \, \infty.

6.5. Lorsqu’une seule des bornes tend vers \infty

Par exemple sous les hypothèses  :
\displaystyle \lim_{x \to a} u(x) = L et \displaystyle \lim_{x \to a} v(x) = \infty,
cela revient à chercher si l’intégrale \int_{L} ^{+\infty} f(t) \, \textrm{d} \, t ou \int_{-\infty} ^{L} f(t) \, \textrm{d} \, t converge.

exemple : Étude des limites de F où F(x) = \displaystyle \int_{1/x} ^x \frac {\textrm{e} ^{- t}} {\sqrt {\vert t \vert }} \, \textrm{d} \, t  en 0 et \infty.

Lors de vos révisions de cours ou lors de votre préparation aux concours, n’hésitez pas à revoir plusieurs chapitres de Maths afin de vérifier réellement votre niveau de connaissances et d’identifier d’éventuelles lacunes. Vous pouvez par exemple, à la suite de ce cours, revenir sur les chapitres en cours de maths particuliers :

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