Pour tout entier naturel non nul , on considère la fonction définie sur par :
Pour l'intégrabilité, étudiez la continuité sur et recherchez un équivalent ou une majoration au voisinage de .
Pour la limite, vérifiez la convergence simple de la suite de fonctions .
Cherchez une fonction dominante indépendante de , continue par morceaux et intégrable sur , telle que . Une majoration simple du dénominateur par peut être utile.
Critère de Riemann pour l'intégrabilité sur un intervalle non borné.
Théorème de convergence dominée (TCD).
Majoration uniforme de la valeur absolue.
Résolution.
Au voisinage de , on a la majoration suivante :
Comme la fonction est intégrable sur (intégrale de Riemann avec ), par comparaison de fonctions positives, est absolument intégrable sur .
Comme est continue sur , elle y est également intégrable. Finalement :
Étape 1 : Convergence simple. Pour tout , on a :
Pour , . Ainsi, la suite converge simplement sur vers la fonction nulle :
Étape 2 : Domination. Il s'agit de trouver une fonction intégrable telle que . Pour tout et tout , on a , d'où :
En majorant par 1, on obtient :
La fonction est continue sur et intégrable sur car son intégrale sur converge vers quand .
Étape 3 : Application du théorème. Les hypothèses du théorème de convergence dominée étant vérifiées, on peut intervertir limite et intégrale :
D'où le résultat final :
Oublier de vérifier ou de mentionner explicitement la fonction dominante intégrable.
Réflexe TCD pour les limites d'intégrales à paramètre discret.