Cours-main/CUPGE 1/Semestre 2/Mathématiques/Notes/Ex-Int-Impropre.md

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Exercices sur les intégrales impropres

Calculer, si possible:

  • I=∫1∞ax1+a2xdxI=\int_1^\infty\frac{a^x}{1+a^{2x}}dx avec a>0a\gt0

    I=∫1∞ax1+a2xdxa>0 t=ax ln⁡t=xln⁡a x=ln⁡tln⁡a⇒dx=1ln⁡adttI=\int_1^\infty\frac{a^x}{1+a^{2x}}dx \quad a\gt0\n t=a^x\n \ln t=x\ln a\n x=\frac{\ln t}{\ln a}\quad\Rightarrow\quad dx=\frac1{\ln a}\frac{dt}{t}

    Disjonction de cas :

    • si a>1a\gt1

      I=∫a0t1+t21ln⁡adtt I=1ln⁡a∫a011+t2dt I=1ln⁡a[arctg⁡t]a0I=1ln⁡a(π2−arctg⁡a)I = \int_a^0\frac{t}{1+t^2}\frac1{\ln a}\frac{dt}{t}\n I=\frac1{\ln a}\int_a^0\frac1{1+t^2}dt\n I = \frac1{\ln a} \cembrace{\arctg t}_{a}^{0} I = \frac1{\ln a}\pembrace{\frac\pi2-\arctg a}

    • si a=1a=1

      I=∫1∞1x1+12x I=∫1∞12dxI = \int_1^\infty\frac{1^x}{1+1^{2x}}\n I = \int_1^\infty\frac12dx

    • si a<1a\lt1

      I=−∫0a11+t2dtln⁡a I=−1ln⁡a[arctg⁡t]0a I=−1ln⁡a[arctg⁡a−arctg⁡0] I=−arctg⁡aln⁡aI=-\int_0^a\frac1{1+t^2}\frac{dt}{\ln a}\n I=\frac{-1}{\ln a}\cembrace{\arctg t}_0^a\n I=\frac{-1}{\ln a}\cembrace{\arctg a-\arctg 0}\n I = -\frac{\arctg a}{\ln a}

  • In=∫0∞tne−t2I_n=\int_0^\infty t^ne^{-t^2}

    f(t)=tne−t2 est continue sur R ∣lim⁡t→∞tne−t2=0lim⁡t→∞tne−t=0 f(t)=t^ne^{-t^2}\text{ est continue sur }\R\n \embrace{ &\lim_{t\rightarrow\infty}t^ne^{-t^2}=0\\ &\lim_{t\rightarrow\infty}t^ne^{-t}=0 }{|}{.}\n

    1. lim⁡n→∞tn+2t−2=0 ∃A>0 tn+2t−2<1⇔tnt−2<1t2 ⇒In≤∫0∞1t2dt⏟CVGCVG  I0=∫0∞e−t2dt=π2 I1=∫0∞te−t2dt=[−12e−t2]0∞=12  In=∫°∞tne−t2dt In=∫°∞tn−1∗te−t2dt ∣ u=tn−1u′=(n−1)tn−2v′=te−t2v=−12e−t2 In=[tn−1∗(−12e−t2)]0∞⏟=0+∫0∞12e−t2(n−1)tn−2dt In=12(n−1)∫0∞tn−2e−t2dt In=n−12In−2  I2=12∗I0=π4 I3=1∗I1=12 I4=32∗I2=3π8 I5=2∗I3=1 I6=52∗3π8 I7=3∗I5=3 I9=4∗I7=12 donc : I2p+1=f1(p)∗I1 I2p=f2(p)∗I0\lim_{n\rightarrow\infty}t^{n+2}t^{-2}=0\n \exist A\gt0\n t^{n+2}t^{-2} \lt 1 \Leftrightarrow t^nt^{-2}\lt\frac1{t^2}\n \Rightarrow I_n \le \underbrace{\int_0^{\infty}\frac1{t^2}dt}_{CVG}\quad\boxed{CVG}\n\n I_0=\int_0^\infty e^{-t^2}dt=\frac{\sqrt{\pi}}2\n I_1=\int_0^\infty te^{-t^2}dt=\cembrace{-\frac12e^{-t^2}}_{0}^{\infty}=\frac12\n\n I_n=\int_°^\infty t^ne^{-t^2}dt\n I_n=\int_°^\infty t^{n-1}*te^{-t^2}dt\n \embrace{\ &u=t^{n-1}\quad u'=(n-1)t^{n-2}\\ &v'=te^{-t^2}\quad v=-\frac12e^{-t^2}}{|}{.}\n I_n=\underbrace{\cembrace{t^{n-1}*(-\frac12e^{-t^2})}_{0}^{\infty}}_{=0}+\int_0^\infty\frac12e^{-t^2}(n-1)t^{n-2}dt\n I_n=\frac12(n-1)\int_0^\infty t^{n-2}e^{-t^2}dt\n I_n=\frac{n-1}2I_{n-2}\n\n \begin{split} &I_2=\frac12*I_0=\frac{\sqrt{\pi}}4\n &I_3=1*I_1=\frac12\n &I_4=\frac32*I_2=\frac{3\sqrt{\pi}}8\n &I_5=2*I_3=1\n &I_6=\frac52*\frac{3\sqrt{\pi}}8\n &I_7=3*I_5=3\n &I_9=4*I_7=12\n \text{donc : }\\ &I_{2p+1} = f_1(p)*I_1\n &I_{2p}=f_2(p)*I_0 \end{split}

  • I=∫0∞xcos⁡4xdxI=\int_0^\infty x\cos^4x_ dx

    ParseError: KaTeX parse error: Undefined control sequence: \bembrace at position 51: … \int_0^\infty \̲b̲e̲m̲b̲r̲a̲c̲e̲{x\cos^4x}dx\le…

  • I=∫0∞xn1+x2dxI=\int_0^\infty \frac{x^n}{1+x^2}dx

    I=∫0∞xn1+x2dx ∣u=x2→u′=nxn−1v′=11+x2→v=arctg⁡x In=[xnarctg⁡x]0∞⏟∞ Inn≤2DVG  I0=∫0∞11+x2dx I0=[arctg⁡x]0∞ I0=π2  I1:x1+x2→x→∞1x⇒DVGI=\int_0^\infty \frac{x^n}{1+x^2}dx\n \embrace{ &u=x^2\quad\quad\rightarrow u'=nx^{n-1}\\ &v'=\frac1{1+x^2}\rightarrow v=\arctg x }{|}{.}\n I_n=\underbrace{\cembrace{x^n\arctg x}_{0}^{\infty}}_\infty\n I_n\quad n\le2\quad \boxed{DVG}\n\n I_0=\int_0^\infty \frac1{1+x^2}dx\n I_0=\cembrace{\arctg x}_{0}^{\infty}\n I_0=\frac\pi2\n\n I_1:\quad \frac{x}{1+x^2}\xrightarrow[x\rightarrow\infty]{}\frac1x\quad\Rightarrow\boxed{DVG}