Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Riemann integrationUnreviewed

Intégrale (d’intégrale de) Dirichlet

by FiniteField·
45
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Français

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Soit f ⁣:xx+sin(t)tdt\displaystyle f\colon x\mapsto \int_x^{+\infty}\dfrac{\sin(t)}{t}\,dt. Montrer que ff est bien définie sur R+\mathbb{R}^+ et de classe C1\mathcal{C}^1. Calculer 0+f(x)dx.\displaystyle\int_0^{+\infty}f(x)\,dx.

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References

  1. Oral Mines-Ponts MP 2022 (RMS 133-2 594)
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Solution by FiniteField

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On montre que 0+sin(t)tdt\displaystyle\int_0^{+\infty}\dfrac{\sin(t)}{t}\,dt existe ce qui prouvera l’existence de ff sur R+.\mathbb{R}^+. Soit 0<ε<y0<\varepsilon<y. On fait une intégration par partie de l’intégrande sur [ε,y][\varepsilon,y] en primitivant sin(t)\sin(t) en 1cos(t)1-\cos(t) et en dérivant 1t.\dfrac{1}{t}. Ceci donne
εysin(t)tdt=[1cos(t)t]0y+εy1cos(t)t2dt=1cos(y)y1cos(ε)ε+εy1cos(t)t2dt.\int_\varepsilon^y\dfrac{\sin(t)}{t}\,dt=\left[\dfrac{1-\cos(t)}{t}\right]_0^{y}+\int_\varepsilon^y\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt=\dfrac{1-\cos(y)}{y}-\dfrac{1-\cos(\varepsilon)}{\varepsilon}+\int_\varepsilon^y\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt. Grâce à un DL2DL_2 de cos\cos en 00 on a l’équivalent 1cos(t)tt2\dfrac{1-\cos(t)}{t}\sim \dfrac{t}{2} qui est positif au voisinage de 00. Cela prouve non seulement que t1cos(t)t2t\mapsto \dfrac{1-\cos(t)}{t^2} est intégrable au voisinage de 00 mais aussi que 1cos(ε)εε00.\dfrac{1-\cos(\varepsilon)}{\varepsilon}\underset{\varepsilon\rightarrow 0}{\longrightarrow}0. Par ailleurs, 1cos(t)t2=Ot+(1t2)\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}=\underset{{t\rightarrow+\infty}}{O}\left(\dfrac{1}{t^2}\right) donc t1cos(t)t2t\mapsto \dfrac{1-\cos(t)}{t^2} est aussi intégrable en ++\infty et 1cos(y)y=O+(1y)y+0.\dfrac{1-\cos(y)}{y}=\underset{+\infty}{O}\left(\dfrac{1}{y}\right)\underset{y\rightarrow+\infty}{\longrightarrow}0. Donc ff est bien définie et xR+,\forall x\in\mathbb{R}^+,
() ⁣:f(x)=1cos(x)x+x+1cos(t)t2dt.(*)\colon f(x)=-\dfrac{1-\cos(x)}{x}+\int_{x}^{+\infty}\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt. D’après le théorème fondamental de l’analyse la fonction FF définie par F(x)=0xsin(t)tdtF(x)=\displaystyle\int_0^x \dfrac{\sin(t)}{t}\,dt est de classe C1\mathcal{C}^1 et c’est une primitive du prolongement de tsin(t)tt\mapsto \dfrac{\sin(t)}{t} sur R+\mathbb{R}^{+} et xR+,f(x)=limz+F(z)F(x)\forall x\in\mathbb{R}^+, f(x)=\lim_{z\rightarrow+\infty}F(z)-F(x) si bien que ff est également de classe C1\mathcal{C}^1 et f(x)=sin(x)xf'(x)=-\dfrac{\sin(x)}{x}.
Pour y>0y>0 on calcule 0yf(x)dx\displaystyle\int_0^yf(x)\,dx par intégration par partie en dérivant f(x)f(x) et en primitivant 11 :
0yf(x)dx=[xf(x)]0y0yxf(x)dx=()y1cos(y)y+yy+1cos(t)t2dt+0ysin(x)dx\int_0^yf(x)\,dx=\left[xf(x)\right]_0^y-\int_0^yxf'(x)\,dx\underbrace{=}_{(*)}-y\dfrac{1-\cos(y)}{y}+y\int_y^{+\infty}\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt+\int_0^y\sin(x)\,dx =1+cos(y)+yy+1cos(t)t2dt+1cos(y)=yy+1cos(t)t2dt=-1+\cos(y)+y\int_y^{+\infty}\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt+1-\cos(y) =y\int_y^{+\infty}\dfrac{1-\cos(t)}{t^2}\,dt =yy+1t2dtyy+cos(t)t2dt=IPP1y([sin(t)t2]y++y+sin(t)t3dt)=y\int_y^{+\infty}\dfrac{1}{t^2}\,dt-y\int_y^{+\infty}\dfrac{\cos(t)}{t^2}\,dt\underbrace{=}_{\text{IPP}}1-y\left(\left[\dfrac{\sin(t)}{t^2}\right]_y^{+\infty}+\int_y^{+\infty}\dfrac{\sin(t)}{t^3}\,dt\right) =1sin(y)yyy+sin(t)t3dt=1-\dfrac{\sin(y)}{y}-y\int_y^{+\infty}\dfrac{\sin(t)}{t^3}\,dt On peut alors conclure soit grâce à la majoration sin(t)t31t3\left|\dfrac{\sin(t)}{t^3}\right|\leq \dfrac{1}{t^3} soit par intégration des relations de comparaison convergence en écrivant y+Ot+(1t3)dt=Oy+(y+1t3dt)=O(1y2).\displaystyle\int_y^{+\infty}\underset{t\rightarrow +\infty}{O}\left(\dfrac{1}{t^3}\right)\,dt=\underset{y\rightarrow+\infty}{O}\left(\displaystyle\int_y^{+\infty}\dfrac{1}{t^3}\,dt\right)=O\left(\dfrac{1}{y^2}\right). On en déduit la convergence de l’intégrale de ff et
0+f(x)dx=1.\int_0^{+\infty}f(x)\,dx=1.

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