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Mathématiques · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — MP

Intégration sur un intervalle quelconque

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Soit $I = [a, b[$ avec $b \in \mathbb{R} \cup {+\infty}$. Une fonction $f : I \to \mathbb{K}$ est dite localement intégrable sur $I$ si elle est continue par morceaux sur tout segment $[a, x] \subset I$. L'intégrale $\int_a^b f(t)dt$ est convergente si la limite $\lim_{x \to b^-} \int_a^x f(t)dt$ existe et est finie.

  • Convergence absolue : $\int_a^b f(t)dt$ converge absolument si $\int_a^b |f(t)|dt$ converge. Toute intégrale absolument convergente est convergente.
  • Critère de Riemann : Pour $f(t) \sim \frac{1}{t^\alpha}$ au voisinage de $+\infty$, l'intégrale converge si et seulement si $\alpha > 1$.

Méthodes à maîtriser

  1. Utiliser les équivalents : Pour étudier la nature d'une intégrale, chercher un équivalent simple (Riemann) au voisinage du point problématique.
  2. Théorème de comparaison : Si $0 \leq f \leq g$ et $\int g$ converge, alors $\int f$ converge.
  3. Intégration par parties (IPP) : Utile pour transformer une intégrale divergente en une forme convergente.
  4. Changement de variable : Vérifier les bornes et la bijectivité de la fonction de changement.

Exemples corrigés

  • Exemple 1 : $\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^2}$ converge car $2 > 1$ (Riemann).
  • Exemple 2 : $\int_0^1 \frac{dt}{\sqrt{t}}$ converge car en $0$, $\frac{1}{\sqrt{t}} = \frac{1}{t^{1/2}}$ avec $1/2 < 1$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que la convergence absolue implique la convergence (la réciproque est fausse).
  • Appliquer Riemann sans vérifier que la fonction est positive ou de signe constant au voisinage du point critique.
  • Négliger les bornes lors d'un changement de variable.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Intégration sur un intervalle quelconque

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La nature de $\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^2+t}$ est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que toute fonction continue sur [a, +infty[ est intégrable ?

Non. La continuité est une condition nécessaire pour définir l'intégrale sur tout segment, mais pas suffisante pour la convergence à l'infini. Par exemple, $f(t) = 1$ est continue sur $[0, +\infty[$, mais $\int_0^x 1 dt = x$ tend vers $+\infty$ quand $x \to +\infty$.

💡 À retenir : La convergence dépend du comportement de la fonction quand $t$ tend vers la borne problématique.

Kifach n3ref wach l'intégrale converge wla la?
  1. Chouf wach la fonction positive.
  2. Ila kant positive, 9elleb 3la équivalent f l'infini (awla f l'endroit li fih l'problème).
  3. St3mel l'critère de Riemann : ila kan l'équivalent $1/t^\alpha$, ila kant $\alpha > 1$ ra converge, ila kant $\alpha \leq 1$ ra diverge.

💡 À retenir : L'équivalent est ton meilleur outil pour simplifier l'intégrale.

Est-ce qu'on peut utiliser le théorème des accroissements finis ici ?

Oui, il est très utile pour majorer une fonction et prouver la convergence par comparaison. Si tu as une fonction $f$ dont tu connais la dérivée, tu peux encadrer $f(t)$ pour montrer qu'elle est dominée par une fonction intégrable.

💡 À retenir : Le TAF aide à trouver des majorations pour appliquer le théorème de comparaison.

Chno hiya la différence bin convergence simple w convergence absolue ?

La convergence absolue signifie que $\int |f|$ converge. La convergence simple signifie que $\int f$ converge, mais $\int |f|$ peut diverger. C'est le cas par exemple de $\int_1^{+\infty} \frac{\sin t}{t} dt$ qui converge (simple) mais pas absolument.

💡 À retenir : Absolue $\implies$ Simple, mais la réciproque est fausse.

Kifach n7seb l'intégrale ila kant impropre ?
  1. Remplace la borne problématique (ex: $+\infty$) par une variable $x$.
  2. Calcul l'intégrale sur $[a, x]$.
  3. Calcule la limite quand $x$ tend vers la borne.

💡 À retenir : L'intégrale généralisée est toujours une limite d'intégrale sur un segment.

Est-ce que le critère de Riemann marche pour toutes les fonctions ?

Non, il ne marche que pour les fonctions positives ou de signe constant au voisinage de la borne. Si la fonction change de signe, il faut étudier la convergence absolue d'abord.

💡 À retenir : Riemann s'applique sur $|f(t)|$ pour tester la convergence absolue.

Est-ce que la somme de deux intégrales divergentes est toujours divergente ?

Non. Par exemple, $\int_1^{+\infty} \frac{1}{t} dt$ diverge et $\int_1^{+\infty} -\frac{1}{t} dt$ diverge, mais leur somme est nulle (donc convergente).

💡 À retenir : Attention aux compensations entre fonctions divergentes.

Peut-on utiliser le théorème de convergence dominée pour n'importe quelle suite ?

Non, il faut que les fonctions soient dominées par une fonction intégrable $g$ telle que $\int_I g < +\infty$. C'est une condition forte mais très puissante.

💡 À retenir : La domination est la clé pour intervertir limite et intégrale.

Est-ce que f(t) to 0 est suffisant pour que inta^{+infty} f(t) dt converge ?

Non. Exemple : $f(t) = 1/t$. Elle tend vers $0$ mais son intégrale diverge. Il faut que $f(t)$ tende vers $0$ "assez vite" (typiquement en $1/t^\alpha$ avec $\alpha > 1$).

💡 À retenir : La vitesse de décroissance est plus importante que la limite nulle.

Est-ce que le changement de variable est toujours possible ?

Oui, à condition que la fonction de changement de variable soit de classe $C^1$ et bijective sur l'intervalle considéré. Il faut aussi bien transformer les bornes.

💡 À retenir : Ne jamais oublier de changer les bornes $a$ et $b$ en $\phi(a)$ et $\phi(b)$.

Est-ce que l'intégrale de Bertrand est au programme ?

Oui, c'est un cas particulier de Riemann avec un facteur logarithmique : $\int_2^{+\infty} \frac{dt}{t^\alpha (\ln t)^\beta}$. Elle converge si $\alpha > 1$ ou ($\alpha = 1$ et $\beta > 1$).

💡 À retenir : C'est un outil très efficace pour les cas limites de Riemann.

Est-ce que je peux utiliser les séries pour étudier une intégrale ?

Oui, via le théorème de convergence monotone ou en utilisant la relation entre série et intégrale (comparaison série-intégrale). C'est très utile pour les fonctions décroissantes.

💡 À retenir : La série $\sum f(n)$ et l'intégrale $\int f(t) dt$ ont souvent la même nature.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Étudier la nature de l'intégrale $I = \int_0^{+\infty} \frac{\sin(t)}{t^2+1} dt$.

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Exercice 2

Étudier la convergence de $J = \int_0^1 \frac{\ln(t)}{1-t} dt$.

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Exercice 3

Soit $f(x) = \int_0^{+\infty} e^{-xt} \frac{\sin t}{t} dt$ pour $x > 0$. Montrer que $f$ est bien définie.

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