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Pour tout entier naturel non nul nNn \in \mathbb{N}^*, on considère la fonction fnf_n définie sur R+\mathbb{R}_+ par :

fn(x)=sin(nx)1+nx+x2f_n(x) = \frac{\sin(nx)}{1 + nx + x^2}

  1. Justifier que pour tout nNn \in \mathbb{N}^*, la fonction fnf_n est intégrable sur R+\mathbb{R}_+.
  2. Déterminer la limite de la suite (In)nN(I_n)_{n \in \mathbb{N}^*} définie par :
    In=0+fn(x)dxI_n = \int_0^{+\infty} f_n(x)   dx

1.

Pour l'intégrabilité, étudiez la continuité sur [0,+[[0, +\infty[ et recherchez un équivalent ou une majoration au voisinage de ++\infty.

2.

Pour la limite, vérifiez la convergence simple de la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}^*}.

3.

Cherchez une fonction dominante ϕ\phi indépendante de nn, continue par morceaux et intégrable sur R+\mathbb{R}_+, telle que fn(x)ϕ(x)|f_n(x)| \le \phi(x). Une majoration simple du dénominateur par 1+x21+x^2 peut être utile.

Idées clés

Critère de Riemann pour l'intégrabilité sur un intervalle non borné.

Théorème de convergence dominée (TCD).

Majoration uniforme de la valeur absolue.

Résolution.

  1. Soit nNn \in \mathbb{N}^*. La fonction xfn(x)x \mapsto f_n(x) est continue sur R+\mathbb{R}_+ par quotient de fonctions continues dont le dénominateur ne s'annule jamais sur R+\mathbb{R}_+ (puisque 1+nx+x211+nx+x^2 \ge 1).

    Au voisinage de ++\infty, on a la majoration suivante :

    fn(x)=sin(nx)1+nx+x21x2|f_n(x)| = \left| \frac{\sin(nx)}{1 + nx + x^2} \right| \le \frac{1}{x^2}

    Comme la fonction x1x2x \mapsto \frac{1}{x^2} est intégrable sur [1,+[[1, +\infty[ (intégrale de Riemann avec 2>12 > 1), par comparaison de fonctions positives, fnf_n est absolument intégrable sur [1,+[[1, +\infty[.

    Comme fnf_n est continue sur [0,1][0, 1], elle y est également intégrable. Finalement :

    fn est inteˊgrable sur R+\boxed{f_n \text{ est intégrable sur } \mathbb{R}_+}

  2. Calculons la limite de l'intégrale en utilisant le théorème de convergence dominée.

    Étape 1 : Convergence simple. Pour tout x>0x > 0, on a :

    fn(x)=sin(nx)1+nx+x211+nx+x2n+0|f_n(x)| = \frac{|\sin(nx)|}{1 + nx + x^2} \le \frac{1}{1 + nx + x^2} \xrightarrow[n \to +\infty]{} 0

    Pour x=0x = 0, fn(0)=sin(0)1=0f_n(0) = \frac{\sin(0)}{1} = 0. Ainsi, la suite (fn)(f_n) converge simplement sur R+\mathbb{R}_+ vers la fonction nulle :

    f0\boxed{f \equiv 0}

    Étape 2 : Domination. Il s'agit de trouver une fonction ϕ\phi intégrable telle que nN,xR+,fn(x)ϕ(x)\forall n \in \mathbb{N}^*, \forall x \in \mathbb{R}_+, |f_n(x)| \le \phi(x). Pour tout n1n \ge 1 et tout x0x \ge 0, on a nx0nx \ge 0, d'où :

    1+nx+x21+x21 + nx + x^2 \ge 1 + x^2

    En majorant sin(nx)|\sin(nx)| par 1, on obtient :

    nN,xR+,fn(x)11+x2\forall n \in \mathbb{N}^*, \forall x \in \mathbb{R}_+,   |f_n(x)| \le \frac{1}{1+x^2}

    La fonction ϕ:x11+x2\phi : x \mapsto \frac{1}{1+x^2} est continue sur R+\mathbb{R}_+ et intégrable sur R+\mathbb{R}_+ car son intégrale sur [0,X][0, X] converge vers π2\frac{\pi}{2} quand X+X \to +\infty.

    Étape 3 : Application du théorème. Les hypothèses du théorème de convergence dominée étant vérifiées, on peut intervertir limite et intégrale :

    limn+0+fn(x)dx=0+0dx=0\lim_{n \to +\infty} \int_0^{+\infty} f_n(x)   dx = \int_0^{+\infty} 0   dx = 0

    D'où le résultat final :

    limn+In=0\boxed{\lim_{n \to +\infty} I_n = 0}

Oublier de vérifier ou de mentionner explicitement la fonction dominante intégrable.

Réflexe TCD pour les limites d'intégrales à paramètre discret.