Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Riemann integrationReviewed

La limite d’une intégrale

by Sequoia·translated by Markarth·
60
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  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
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limx+1x1xx1/tdt\underset{x\to+\infty}{\lim}\,\, \frac{1}{x}\int_1^x x^{1/t}\,\mathrm{d}t

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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

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