Une intégrale trigonométrique plus délicate. - Exercice 1
50 min
75
Un exemple plus délicat, qui nécessite quelques prises d'initiatives et quelques tâtonnements de réflexions.
Question 1
Soit n un nombre entier naturel.
Calculer l'intégrale In=∫02πsin(x)sin(nx)dx. On rappelle que : ∀(p;q)∈R2,sin(p)−sin(q)=2cos(2p+q)sin(2p−q)
Correction
On remarque que : sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos(2(n+2)x+nx)sin(2(n+2)x−nx) Soit : sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos(2nx+2x+nx)sin(2nx+2x−nx) Soit encore : sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos(22nx+2x)sin(22x) En simplifiant : sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos(nx+x)sin(x) D'où : sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos((n+1)x)sin(x) Ainsi : sin(x)sin((n+2)x)−sin(nx)=2cos((n+1)x) De façon identique : sin(x)sin((n+2)x)−sin(x)sin(nx)=2cos((n+1)x) Ce qui implique que : ∫02π(sin(x)sin((n+2)x)−sin(x)sin(nx))dx=∫02π2cos((n+1)x)dx Par linéarité de l'intégrale, on peut écrire que : ∫02πsin(x)sin((n+2)x)dx−∫02πsin(x)sin(nx)dx=∫02π2cos((n+1)x)dx Ce qui nous donne : In+2−In=2∫02πcos((n+1)x)dx Donc : In+2−In=2[n+11sin((n+1)x)]02π=n+12[sin((n+1)x)]02π=n+12sin((n+1)2π) Nous allons donc devoir distinguer la parité de l'entier naturel n. ♣Sinestpair: Dans ce cas on a n=2N, avec N∈N. Donc : I2N+2−I2N=2N+12sin((2N+1)2π)=2N+12sin(2π+Nπ)=2N+12(−1)N Ou encore : I2N−I2N−2=2(N−1)+12(−1)N−1=2N−2+12(−1)N−1=2N−12(−1)N−1 Ainsi : I2N=I2N−I2N−2+I2N−2−I2N−4+I2N−4−I2N−6+⋯+I4−I2+I2 Le premier n pair correspond à n=0, donc à I0 : I0=∫02πsin(x)sin(0x)dx=∫02πsin(x)sin(0)dx=∫02πsin(x)0dx=∫02π0dx=0 On en déduit alors que : I2N=I2N−I2N−2+I2N−2−I2N−4+I2N−4−I2N−6+⋯+I4−I2+I2−I0 Ce qui s'écrit encore : I2N=(I2N−I2N−2)+(I2N−2−I2N−4)+(I2N−4−I2N−6)+⋯+(I4−I2)+(I2−I0) Ce qui nous permet d'écrire que : ∙I2N−I2N−2=2N−12(−1)N−1=+2N−12(−1)N−1 ∙∙I2N−2−I2N−4=2(N−1)−12(−1)(N−1)−1=2N−32(−1)N−2=−2N−32(−1)N−1 ∙∙∙I2N−4−I2N−6=2(N−2)−12(−1)(N−2)−1=2N−52(−1)N−3=+2N−52(−1)N−1 ∙∙∙∙I4−I2=2×2−12(−1)2−1=4−12(−1)1=−32 ∙∙∙∙∙I2−I0=2×1−12(−1)1−1=2 Donc : I2N=2−32+52−72+⋯+2N−12(−1)N−1 Soit : ∀N∈N⋆,I2N=2(1−31+51−71+⋯+2N−1(−1)N−1) Et I0=0. ♣♣Sinestimpair: Dans ce cas on a n=2N+1, avec N∈N. Donc : I(2N+1)+2−I2N+1=(2N+1)+12sin(((2N+1)+1)2π)=2N+22sin(π+Nπ)=N+110=0 Donc : I2N+3−I2N+1=0 Ce qui signifie que : I2N+3=I2N+1 Toutes les intégrales In d'indice impair sont égales. Déterminons donc la valeur du premier cas correspondant, à savoir la valeur de I1. On a alors : I1=∫02πsin(x)sin(1x)dx=∫02πsin(x)sin(x)dx=∫02π1dx=[x]02π=2π−0=2π Donc : ∀N∈N,I2N+1=2π
Signaler une erreur
Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.
Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.