Ivan Shishkin, Rye (1878)

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Intégrale de Dirichlet

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Solution by ano · FR

On considère la fonction ff définie sur R+\mathbb{R}_+ par :
f(t)=Im0+etxeixxdx=0+etxsinxxdxf(t) = \text{Im} \int_0^{+\infty} e^{-tx} \frac{e^{ix}}{x} \, dx = \int_0^{+\infty} e^{-tx} \frac{\sin x}{x} \, dx

L’intégrale est bien définie. En effet, xetxx \mapsto e^{-tx} est intégrable sur R+\mathbb{R}_+^* pour t>0t > 0, et la fonction xsinxxx \mapsto \frac{\sin x}{x} est majorée (elle se prolonge par continuité en 00 et tend vers 00 en ++\infty).

Soit tR+t \in \mathbb{R}_+^*. Montrons que ff est dérivable sur cet intervalle en utilisant le théorème de dérivation sous le signe intégral :
t(etxeixx)=xetxeixx=etx\left| \frac{\partial}{\partial t} \left( e^{-tx} \frac{e^{ix}}{x} \right) \right| = \left| -x e^{-tx} \frac{e^{ix}}{x} \right| = e^{-tx}Pour tout a>0a > 0 et pour tout tat \ge a, on a la domination etxeaxL1(R+)e^{-tx} \le e^{-ax} \in L^1(\mathbb{R}_+).
Ainsi, ff est dérivable sur R+\mathbb{R}_+^* et sa dérivée s’obtient en dérivant sous l’intégrale :
f(t)=Im[1t+ie(t+i)x]0+f'(t)=-\text{Im} \left[ \frac{1}{-t+i} e^{(-t+i)x} \right]_0^{+\infty}
Puisque limx+etx=0\lim_{x \to +\infty} e^{-tx} = 0 pour t>0t > 0, la borne en ++\infty s’annule. On obtient alors : f(t)=11+t2f'(t) = -\frac{1}{1+t^2}

En intégrant la relation précédente, on en déduit qu’il existe une constante CRC \in \mathbb{R} telle que pour tout t>0t > 0 :
f(t)=arctan(t)+Cf(t) = -\arctan(t) + C

Déterminons la constante CC en étudiant la limite quand t+t \to +\infty.
Par le théorème de convergence dominée (TCD), la fonction intégrande tend vers 00 et elle est dominée, par exemple pour t1t \ge 1, par xexx \mapsto e^{-x} qui est dans L1(R+)L^1(\mathbb{R}_+). Par conséquent :
limt+f(t)=0\lim_{t \to +\infty} f(t) = 0

Par unicité de la limite, on trouve :
π2+C=0    C=π2-\frac{\pi}{2} + C = 0 \implies C = \frac{\pi}{2}

Ainsi, pour tout t>0t > 0, f(t)=π2arctan(t)f(t) = \frac{\pi}{2} - \arctan(t).

Puisque ff est continue en 00 :
f(0)=limt0+f(t)=π2=0+sinxxdxf(0) = \lim_{t \to 0^+} f(t) = \frac{\pi}{2} = \int_0^{+\infty} \frac{\sin x}{x} \, dx

La démo est bien ceci dit tu n’as pas démontré la continuité en 00. Elle est assez subtile.