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Intégration <FONT color="red"><b>(il faut avoir étudier au préalable le chapitre Primitives)</b></FONT>

Je vérifie mes acquis. - Exercice 1

20 min
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Cet exercice n'est pas difficile. Il nécessite de connaitre le cours sur l'intégration.
Question 1
Soit ff et gg deux fonctions continues et positives sur l'intervalle [0;1][0 \,;\, 1].
On suppose que :
x[0;1],f(x)g(x)1\forall x \in [0 \,;\, 1], \,\, f(x) g(x) \geqslant 1

Démontrer que :
(01f(x)dx)×(01g(x)dx)1\left( \int_0^1 f(x) \, dx \right) \times \left( \int_0^1 g(x) \, dx \right) \geqslant 1

Correction
les deux fonctions ff et gg sont continues et positives sur l'intervalle [0;1][0 \,;\, 1], et vérifient :
x[0;1],f(x)g(x)1\forall x \in [0 \,;\, 1], \,\, f(x) g(x) \geqslant 1
Donc :
x[0;1],f(x)g(x)1\forall x \in [0 \,;\, 1], \,\, \sqrt{f(x) g(x)} \geqslant 1
Ainsi, par intégration, on a :
01f(x)g(x)dx011dx\int_0^1 \sqrt{f(x) g(x)} \, dx \geqslant \int_0^1 1 \, dx
Avec :
011dx=[x]01=10=1\int_0^1 1 \, dx = [x]_0^1 = 1 - 0 = 1
Donc :
01f(x)g(x)dx1\int_0^1 \sqrt{f(x) g(x)} \, dx \geqslant 1
Soit :
01f(x)g(x)dx1\int_0^1 \sqrt{f(x)} \sqrt{g(x)} \, dx \geqslant 1
Appliquons maintenant l'inégalité de CauchySchwarzCauchy-Schwarz aux deux fonctions xf(x)x \longrightarrow \sqrt{f(x)} et xg(x)x \longrightarrow \sqrt{g(x)}. On a alors :
01f(x)2dx×01g(x)2dx01f(x)g(x)dx\sqrt{\int_0^1 \sqrt{f(x)}^2 \, dx \times \int_0^1 \sqrt{g(x)}^2 \, dx} \geqslant \left| \int_0^1 \sqrt{f(x)} \sqrt{g(x)}\, dx \right|
Les deux fonctions ff et gg sont continues et positives sur l'intervalle [0;1][0 \,;\, 1], il en va de même pour les deux fonctions xf(x)x \longrightarrow \sqrt{f(x)} et xg(x)x \longrightarrow \sqrt{g(x)}. Donc on a :
01f(x)dx×01g(x)dx01f(x)g(x)dx\sqrt{\int_0^1 f(x) \, dx \times \int_0^1 g(x) \, dx} \geqslant \int_0^1 \sqrt{f(x)} \sqrt{g(x)}\, dx
Comme 01f(x)g(x)dx1\int_0^1 \sqrt{f(x)} \sqrt{g(x)} \, dx \geqslant 1, cela implique que :
01f(x)dx×01g(x)dx01f(x)g(x)dx1\sqrt{\int_0^1 f(x) \, dx \times \int_0^1 g(x) \, dx} \geqslant \int_0^1 \sqrt{f(x)} \sqrt{g(x)}\, dx \geqslant 1
Donc :
01f(x)dx×01g(x)dx1\sqrt{\int_0^1 f(x) \, dx \times \int_0^1 g(x) \, dx} \geqslant 1
La fonction carré conserve l'ordre sur R+\mathbb{R}^+, ainsi, on en déduit que :
01f(x)dx×01g(x)dx212\sqrt{\int_0^1 f(x) \, dx \times \int_0^1 g(x) \, dx}^2 \geqslant 1^2
Soit encore :
01f(x)dx×01g(x)dx1\int_0^1 f(x) \, dx \times \int_0^1 g(x) \, dx \geqslant 1
Finalement, on en déduit bien l'inégalité demandée, à savoir :
(01f(x)dx)×(01g(x)dx)1\left( \int_0^1 f(x) \, dx \right) \times \left( \int_0^1 g(x) \, dx \right) \geqslant 1