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Une inégalité. - Exercice 1

20 min
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Un exercice classique dont il faut comprendre l'esprit.
Question 1
Soit aa et bb deux nombres réels strictement positifs tels que a<ba < b.

Démontrer que :
ab1xdxbaab\int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \leqslant \dfrac{b-a}{\sqrt{ab}}

Correction
On a :
ab1xdx=ab1×1xdx\int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx = \int_a^b 1 \times \dfrac{1}{x} \, dx;
Appliquons l'inégalité de CauchySchwarzCauchy-Schwarz. On a alors :
(ab1×1xdx)2ab12dx×ab(1x)2dx \left( \int_a^b 1 \times \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant \int_a^b 1^2 \, dx \times \int_a^b \left( \dfrac{1}{x} \right)^2 \, dx
Soit :
(ab1xdx)2ab1dx×ab1x2dx \left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant \int_a^b 1 \, dx \times \int_a^b \dfrac{1}{x^2} \, dx
Donc :
(ab1xdx)2[x]ab×[1x]ab\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant [x]_a^b \times \left[-\dfrac{1}{x} \right]_a^b
Ce qui nous conduit à :
(ab1xdx)2(ba)×[1x]ba\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant (b-a) \times \left[\dfrac{1}{x} \right]_b^a
Soit encore :
(ab1xdx)2(ba)×(1a1b)\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant (b-a) \times \left(\dfrac{1}{a} - \dfrac{1}{b}\right)
En réduisant au même dénominateur, on obtient :
(ab1xdx)2(ba)×(baab)\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant (b-a) \times \left(\dfrac{b-a}{ab} \right)
D'où :
(ab1xdx)2(ba)2ab\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2 \leqslant \dfrac{(b-a)^2}{ab}
La fonction racine carré conserve l'ordre sur R+\mathbb{R}^+ car elle y est strictement croissante. Ainsi :
(ab1xdx)2(ba)2ab\sqrt{\left( \int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \right)^2} \leqslant \sqrt{\dfrac{(b-a)^2}{ab} }
Comme, par hypothèse, aa et bb sont deux nombres réels strictement positifs tels que a<ba < b, on en déduit que x[a;b],1x>0\forall x \in [a \,;\, b], \, \dfrac{1}{x} > 0 et ab>0ab >0. Finalement, on a :
ab1xdxbaab\int_a^b \dfrac{1}{x} \, dx \leqslant \dfrac{b-a}{\sqrt{ab}}

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