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PROBLEME 1 - Exercice 1

45 min
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Soit α\alpha et β\beta deux réels, tel que α>β1\alpha > \beta \geqslant 1. On cherche à déterminer la valeur de l'intégrale φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) suivante :
φ(α;β)=0π1αβcosxdx\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \int_{0}^{\pi} \dfrac{1}{\alpha - \beta \cos x} \, dx
Question 1
On considère la figure géométrique suivante :

Quelle est la nature de l'intégrale φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) ? Justifier.

Correction
L'intégrale φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) n'est pas une intégrale généralisée (on dit également impropre) de première espèce puisqu'aucune de ses bornes n'est infinie.
Étudions maintenant l'éventuelle présence d'une singularité appartenant au domaine d'intégration. On a alors :
αβcosx=0α=βcosxαβ=cosx\alpha - \beta \cos x = 0 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \alpha = \beta \cos x \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{\alpha}{\beta} = \cos x
Or, par hypothèse, on sait que α>β\alpha > \beta, d'où :
αβ>1cosx>1\dfrac{\alpha}{\beta} > 1 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \cos x > 1
Or xR\forall x \in \mathbb{R}, il est impossible d'avoir cosx>1\cos x > 1. Ainsi, il est donc impossible d'avoir la condition αβcosx=0\alpha - \beta \cos x = 0. Autrement dit, on a :
xR,αβcosx0\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \alpha - \beta \cos x \neq 0
Ainsi, l'intégrande existe sur l'intervalle d'intégration [0;π][0 \, ; \, \pi], et donc l'intégrale φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) n'est pas une intégrale impropre de deuxième espèce et donc nécessairement pas de troisième espèce.
De plus, la fonction 1αβcosx\dfrac{1}{\alpha - \beta \cos x} est dérivable sur [0;π][0 \, ; \, \pi], car :
(1αβcosx)=βsinx(αβcosx)2\left( \dfrac{1}{\alpha - \beta \cos x} \right)' =- \dfrac{\beta \sin x}{(\alpha - \beta \cos x)^2}
Ainsi, l'intégrande est dérivable sur [0;π][0 \, ; \, \pi] et donc y est continue. Donc φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) n'est pas une intégrale propre.
Question 2

Effectuer le changement de variable u=tan(x2)u = \tan \left( \dfrac{x}{2}\right), et en vous aidant de la figure géométrique associée au changement de variable, démontrer que : cosx=1u21+u2\cos x = \dfrac{1-u^2}{1+u^2}.

Correction
Effectuons le changement de variable u=tan(x2)u = \tan \left( \dfrac{x}{2}\right), et à l'aide de la figure géométrique on a :
cos(x2)=11+u2etsin(x2)=u1+u2\cos \left( \dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{\sqrt{1+u^2}} \,\,\,\, \mathrm{et} \,\,\,\, \sin \left( \dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{u}{\sqrt{1+u^2}}
Donc, on peut écrire que :
cosx=cos2(x2)sin2(x2)=11+u2u1+u2\cos x = \cos^2 \left( \dfrac{x}{2}\right) - \sin^2 \left( \dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{1+u^2} - \dfrac{u}{1+u^2}
Finalement :
cosx=1u21+u2\cos x = \dfrac{1-u^2}{1+u^2}
Question 3

Démontrer que ce changement de variable permet d'écrire que :
dx=21+u2dud x = \dfrac{2}{1+u^2} \, du

Correction
On a :
u=tan(x2)x=2arctanuu = \tan \left( \dfrac{x}{2}\right) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, x = 2 \arctan u
Donc en dérivant, on obtient :
dxdu=ddu(2arctanu)dxdu=2ddu(arctanu)dxdu=211+u2\dfrac{dx}{du} = \dfrac{d}{du} (2 \arctan u) \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{dx}{du} = 2 \dfrac{d}{du} (\arctan u)\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, \dfrac{dx}{du} = 2 \dfrac{1}{1+u^2 }
D'où :
dx=21+u2dud x = \dfrac{2}{1+u^2} du
Question 4

Quelles sont les bornes de l'intégrale en uu ?

Correction
Les bornes de l'intégrale en uu sont :
\bullet \,\, Si x=0x =0 alors u=tan(02)=0u = \tan \left( \dfrac{0}{2}\right) = 0 ;
\bullet \bullet \,\, Si x=πx = \pi alors u=tan(π2)+u = \tan \left( \dfrac{\pi}{2}\right) \longrightarrow + \infty ;
Question 5

Démontrer que :
φ(α;β)=limb+2αβ0b11+(uα+βαβ)2du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\alpha - \beta} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + \left( u\sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}} \right)^2} \, du

Correction
On a :
φ(α;β)=0π1αβcosxdx=limb+0b1αβ1u21+u221+u2du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \int_{0}^{\pi} \dfrac{1}{\alpha - \beta \cos x} \, dx = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{\alpha - \beta \dfrac{1-u^2}{1+u^2}} \, \dfrac{2}{1+u^2} du
Soit :
φ(α;β)=2limb+0b1α(1+u2)β(1u2)du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = 2 \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{\alpha (1+u^2) - \beta (1-u^2) } \, du
Ce qui nous donne encore :
φ(α;β)=2limb+0b1α+αu2β+βu2du=2limb+0b1αβ+(α+β)u2du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = 2 \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{\alpha + \alpha u^2 - \beta + \beta u^2 } \, du = 2 \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{\alpha - \beta + (\alpha + \beta) u^2 } \, du
Donc, en factorisant par αβ\alpha - \beta, on trouve que :
φ(α;β)=2αβlimb+0b11+α+βαβu2du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \dfrac{2}{\alpha - \beta} \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + \dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta} u^2 } \, du
Finalement, on trouve bien que :
φ(α;β)=limb+2αβ0b11+(uα+βαβ)2du\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\alpha - \beta} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + \left( u\sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}} \right)^2} \, du
Question 6

Effectuer maintenant le changement de variable X=uα+βαβX =u\sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}}, démontrer que :
φ(α;β)=2α2β2I\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \dfrac{2}{\sqrt{\alpha^2 - \beta^2}} \, \mathcal{I}
avec :
I=0+11+X2dX=limb+0b11+X2dX\mathcal{I} = \int_{0}^{+\infty} \dfrac{1}{1+X^2} \, dX = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1+X^2} \, dX

Correction
Effectuons le changement de variable suivant :
X=uα+βαβdXdu=α+βαβdX=α+βαβduX =u\sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}} \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, \dfrac{dX}{du} = \sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, dX = \sqrt{\dfrac{\alpha + \beta}{\alpha - \beta}} du
Ainsi :
du=αβα+βdXdu = \sqrt{\dfrac{\alpha - \beta}{\alpha + \beta}} dX
Donc on obtient :
φ(α;β)=limb+2αβ0b11+X2αβα+βdX\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\alpha - \beta} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + X^2} \, \sqrt{\dfrac{\alpha - \beta}{\alpha + \beta}} dX
Ce qui donne :
φ(α;β)=limb+2αβαβα+β0b11+X2dX\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\alpha - \beta} \sqrt{\dfrac{\alpha - \beta}{\alpha + \beta}} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + X^2} \, dX
Soit encore :
φ(α;β)=limb+2αβαβαβα+β0b11+X2dX\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\sqrt{\alpha - \beta} \sqrt{\alpha - \beta}} \sqrt{\dfrac{\alpha - \beta}{\alpha + \beta}} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + X^2} \, dX
En simplifiant on obtient :
φ(α;β)=limb+2αβα+β0b11+X2dX\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\sqrt{\alpha - \beta} \sqrt{\alpha + \beta}} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + X^2} \, dX
Que l'on écrit encore :
φ(α;β)=limb+2(αβ)(α+β)0b11+X2dX\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \dfrac{2}{\sqrt{(\alpha - \beta)(\alpha + \beta)} } \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1 + X^2} \, dX
En utilisant une identité remarquable, on trouve bien :
φ(α;β)=2α2β2I\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \dfrac{2}{\sqrt{\alpha^2 - \beta^2}} \, \mathcal{I}
avec :
I=0+11+X2dX=limb+0b11+X2dX\mathcal{I} = \int_{0}^{+\infty} \dfrac{1}{1+X^2} \, dX = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1+X^2} \, dX
Question 7

Quelle est l'espèce de l'intégrale I\mathcal{I} ? Justifier.

Correction
L'intégrale I\mathcal{I} est de première espèce car sa borne supérieure est infinie.
Question 8

Calculer la valeur de l'intégrale généralisé (on dit parfois impropre) I\mathcal{I}.

Correction
On a :
I=limb+0b11+X2dX=limb+[arctan(X)]0b=limb+arctan(b)arctan(0)\mathcal{I} = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \int_{0}^{b} \dfrac{1}{1+X^2} \, dX = \lim_{b \longrightarrow +\infty} [\arctan (X)]_{0}^{b} = \lim_{b \longrightarrow +\infty} \arctan (b) - \arctan (0)
Donc, on obtient :
I=π20I=π2\mathcal{I} = \dfrac{\pi}{2} - 0 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \dfrac{\pi}{2}
Question 9

En déduire la valeur de φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta).

Correction
Donc la valeur de φ(α;β)\varphi (\alpha \,;\, \beta) est :
φ(α;β)=2α2β2π2\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \dfrac{2}{\sqrt{\alpha^2 - \beta^2}} \, \dfrac{\pi}{2}
En simplifiant :
φ(α;β)=πα2β2\varphi (\alpha \,;\, \beta) = \dfrac{\pi}{\sqrt{\alpha^2 - \beta^2}}
Question 10

Donner la valeur exacte de φ(2;1)\varphi (2 \,;\, 1).

Correction
La valeur exacte de φ(2;1)\varphi (2 \,;\, 1) est :
φ(α=2;β=1)=π2212φ(α=2;β=1)=π41\varphi (\alpha = 2 \,;\, \beta = 1) = \dfrac{\pi}{\sqrt{2^2 - 1^2}} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \varphi (\alpha = 2 \,;\, \beta = 1) = \dfrac{\pi}{\sqrt{4 - 1}}
Finalement :
φ(α=2;β=1)=π3\varphi (\alpha = 2 \,;\, \beta = 1) = \dfrac{\pi}{\sqrt{3}}

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