Ivan Shishkin, Rye (1878)

Discussions

La limite d’une intégrale

0 messages

Solution

Solution by visitor · FR

Montrons que
limx+1x1xx1/tdt=1.\lim_{x\to+\infty}\frac{1}{x}\int_{1}^{x}x^{1/t}\,\mathrm{d}t=1 .

Posons L=lnxL=\ln x et A(x)=1xx1/tdt=1xeL/tdtA(x)=\displaystyle\int_{1}^{x}x^{1/t}\,\mathrm{d}t=\int_{1}^{x}e^{L/t}\,\mathrm{d}t, l’intégrande étant continu sur [1,x][1,x].

L’heuristique est la suivante : pour tt grand, x1/tx^{1/t} est très proche de 11, et cette zone occupe presque tout l’intervalle [1,x][1,x], d’où la contribution x\sim x. La zone tt petit, où l’intégrande atteint la valeur énorme xx en t=1t=1, est trop courte pour peser : elle ne contribue que pour x/lnx\sim x/\ln x.

Pour t1t\geqslant 1 et x>1x>1, on a 1/t>01/t>0 donc x1/t1x^{1/t}\geqslant 1. D’où
A(x)x1,soitA(x)x11x.A(x)\geqslant x-1,\qquad\text{soit}\qquad \frac{A(x)}{x}\geqslant 1-\frac1x .Supposons xe2x\geqslant e^{2}, de sorte que 2L2x2\leqslant L^{2}\leqslant x, et découpons [1,x][1,x] en trois morceaux.

Sur [1,2][1,2] : la pointe. L’inégalité 1t1t12\dfrac1t\leqslant 1-\dfrac{t-1}{2} équivaut, après multiplication par 2t>02t>0, à t23t+20t^{2}-3t+2\leqslant 0, c’est-à-dire (t1)(t2)0(t-1)(t-2)\leqslant 0 : elle est vraie sur [1,2][1,2]. Donc eL/txeL(t1)/2e^{L/t}\leqslant x\,e^{-L(t-1)/2} et
12x1/tdt  x1+eL(t1)/2dt=2xL.\int_{1}^{2}x^{1/t}\,\mathrm{d}t\ \leqslant\ x\int_{1}^{+\infty}e^{-L(t-1)/2}\,\mathrm{d}t=\frac{2x}{L}.Sur [2,L2][2,L^{2}] : la zone intermédiaire. Ici x1/tx1/2x^{1/t}\leqslant x^{1/2}, d’où
2L2x1/tdt  xL2.\int_{2}^{L^{2}}x^{1/t}\,\mathrm{d}t\ \leqslant\ \sqrt{x}\,L^{2}.Sur [L2,x][L^{2},x] : le corps de l’intégrale. Ici x1/tx1/L2=eL/L2=e1/Lx^{1/t}\leqslant x^{1/L^{2}}=e^{L/L^{2}}=e^{1/L}, d’où
L2xx1/tdt  e1/Lx.\int_{L^{2}}^{x}x^{1/t}\,\mathrm{d}t\ \leqslant\ e^{1/L}\,x .En sommant et en divisant par xx :
A(x)x  2lnx+(lnx)2x+e1/lnx x+ 0+0+1=1.\frac{A(x)}{x}\ \leqslant\ \frac{2}{\ln x}+\frac{(\ln x)^{2}}{\sqrt{x}}+e^{1/\ln x}\ \xrightarrow[x\to+\infty]{}\ 0+0+1=1 .L’encadrement
11x  1x1xx1/tdt  2lnx+(lnx)2x+e1/lnx1-\frac1x\ \leqslant\ \frac{1}{x}\int_{1}^{x}x^{1/t}\,\mathrm{d}t\ \leqslant\ \frac{2}{\ln x}+\frac{(\ln x)^{2}}{\sqrt{x}}+e^{1/\ln x}et le théorème d’encadrement donnent
limx+1x1xx1/tdt=1.\lim_{x\to+\infty}\frac{1}{x}\int_{1}^{x}x^{1/t}\,\mathrm{d}t=1 . \qquad\blacksquare

No messages yet.