Ivan Shishkin, Rye (1878)

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L’habit ne fait pas le moine

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Solution by FiniteField · FR

Commençons par remarquer que t↦arcsin⁡(t)t\mapsto \arcsin(\sqrt{t}) étant définie et continue sur [0,1][0,1] la fonction G ⁣:X↦∫0Xarcsin⁡(t) dtG\colon X\mapsto \displaystyle\int_0^X\arcsin(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t est de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0,1][0,1] par le théorème fondamental de l’analyse et ∀X∈[0,1],G′(X)=arcsin⁡(X)\forall X\in[0,1],G'(X)=\arcsin(\sqrt{X}). Il en va de même pour H ⁣:X∈[0,1]↦∫0Xarccos⁡(t) dt.H\colon X\in[0,1]\mapsto \displaystyle\int_0^{X}\arccos(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t. Ainsi FF est de classe C1\mathcal{C}^1 sur R\mathbb{R} comme composée de fonctions de classe C1\mathcal{C}^1 sur R.\mathbb{R}. Par ailleurs, grâce aux formules de dérivées de composées, on a :
∀x∈R,F′(x)=2cos⁡(x)sin⁡(x)G′(sin⁡(x)2)−2sin⁡(x)cos⁡(x)H′(cos⁡(x)2)=sin⁡(2x)(arcsin⁡(∣sin⁡(x)∣)−arccos⁡(∣cos⁡(x)∣)).\forall x\in\mathbb{R}, F'(x)=2\cos(x)\sin(x)G'(\sin(x)^2)-2\sin(x)\cos(x)H'(\cos(x)^2)=\sin(2x)\left(\arcsin(\left|\sin(x)\right|)-\arccos(\left|\cos(x)\right|)\right).Soit x∈Rx\in\mathbb{R} et θ\theta l’unique élément de [0,π2]\left[0,\dfrac{\pi}{2}\right] tel que sin⁡(θ)=∣sin⁡(x)∣\sin(\theta)=\left|\sin(x)\right| (sin⁡\sin définit une bijection de [0,π2]\left[0,\dfrac{\pi}{2}\right] vers [0,1][0,1]). On a alors arcsin⁡(∣sin⁡(x)∣)=arcsin⁡(sin⁡(θ))=θ.\arcsin(\left|\sin(x)\right|)=\arcsin(\sin(\theta))=\theta. D’autre part, 1−sin⁡(θ)2=∣cos⁡(θ)∣=cos⁡(θ)\sqrt{1-\sin(\theta)^2}=\left|\cos(\theta)\right|=\cos(\theta) car cos⁡\cos positive sur [0,π2]\left[0,\dfrac{\pi}{2}\right] et 1−sin⁡(x)2=∣cos⁡(x)∣=cos⁡(θ)\sqrt{1-\sin(x)^2}=\left|\cos(x)\right|=\cos(\theta) si bien que arccos⁡(∣cos⁡(x)∣)=arccos⁡(cos⁡(θ))=θ\arccos(\left|\cos(x)\right|)=\arccos(\cos(\theta))=\theta. Ainsi, ∀x∈R,arcsin⁡(∣sin⁡(x)∣)=arccos⁡(∣cos⁡(x)∣)\forall x\in\mathbb{R}, \arcsin(\left|\sin(x)\right|)=\arccos(\left|\cos(x)\right|) donc F′=0F'=0 sur l’intervalle R\mathbb{R} donc FF est constante. Pour déterminer cette constante on va évaluer FF en un xx bien choisi. On pourrait prendre x=π2x=\dfrac{\pi}{2} ou x=0x=0 pour éliminer une intégrale puis faire le changement de variable u=tu=\sqrt{t} et faire une intégration par parties mais on va proposer une solution un peu plus élémentaire en s’appuyant sur la relation ∀x∈R,arcsin⁡(x)+arccos⁡(x)=π2\forall x\in\mathbb{R}, \arcsin(x)+\arccos(x)=\dfrac{\pi}{2} (en effet, arcsin⁡′+arccos⁡′=0\arcsin'+\arccos'=0 et arcsin⁡(0)+arccos⁡(0)=0+π2\arcsin(0)+\arccos(0)=0+\dfrac{\pi}{2}). Pour cela on a besoin que nos deux intégrales aient les mêmes bornes. On évalue donc en π4\dfrac\pi 4 :
F(π4)=∫01/2arcsin⁡(t) dt+∫01/2arccos⁡(t) dt=∫01/2π2 dt=π4.F\left(\dfrac{\pi}{4}\right)=\int_0^{1/2}\arcsin(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t+\int_0^{1/2}\arccos(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t=\int_0^{1/2}\dfrac{\pi}{2}\,\mathrm{d}t=\dfrac{\pi}{4}. Donc
∀x∈R,∫0sin⁡2xarcsin⁡(t) dt+∫0cos⁡2xarccos⁡(t) dt=π4.\forall x\in\mathbb{R}, \int_0^{\sin^2x}\arcsin(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t+\int_0^{\cos^2x}\arccos(\sqrt{t})\,\mathrm{d}t=\dfrac{\pi}{4}.

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