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Variation d'une fonction intégrale - Exercice 1

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Question 1
Soit xR0x \in \mathbb{R} 0. Soit ff la fonction suivante :
f:xf(x)=x2x1t4+t2+1dtf : x \longmapsto f(x) = \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt

Etudier la parité de ff.

Correction
La fonction T:tT(t)=1t4+t2+1T : t \longmapsto T(t) = \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} est définie (donc continue) sur R\mathbb{R}, de fait ff également.
On a alors, xR\forall x \in \mathbb{R}, le résultat suivant :
f(x)=x2x1t4+t2+1dtf(-x) = \int_{-x}^{-2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt
Posons u=tu = -t dans ce cas dt=dudt = - du et lorsque tt va de x-x à 2x-2x on constate que uu va de xx à 2x2x, donc :
f(x)=x2x1(u)4+(u)2+1du=x2x1u4+u2+1du=f(x)f(-x) = \int_{x}^{2x} \dfrac{-1}{\sqrt{(-u)^4 + (-u)^2 + 1}} \, du = - \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{u^4 + u^2 + 1}} \, du = - f(x)
Donc la fonction ff est impaire.
Question 2

Etudier, sur R\mathbb{R}, les variations de ff.

Correction
Nous allons étudier les variations de ff sur R+\mathbb{R}^+, puis par imparité, deviner celles sur R\mathbb{R}^-, donc sur R\mathbb{R} tout entier.
Donc x0x \geqslant 0, donc 2xx2x \geqslant x.
La fonction T:tT(t)=1t4+t2+1T : t \longmapsto T(t) = \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} est strictement positive sur R+\mathbb{R}^+, et de fait la fonction ff est strictement positive si x>0x > 0 et nulle si x=0x=0 (car les deux bornes de l'intégrale seraient alors les mêmes).
Soit aa tel que xa2xx \leqslant a \leqslant 2x. On a alors l'écriture suivante :
f(x)=x2x1t4+t2+1dt=xa1t4+t2+1dt+a2x1t4+t2+1dtf(x) = \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt = \int_{x}^{a} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt + \int_{a}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt
Ceci peut également s'écrire comme :
f(x)=x2x1t4+t2+1dt=ax1t4+t2+1dt+a2x1t4+t2+1dtf(x) = \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt = -\int_{a}^{x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt + \int_{a}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt
Et de fait :
f(x)=a2x1t4+t2+1dtax1t4+t2+1dtf(x) = \int_{a}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt - \int_{a}^{x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt
Donc, on en déduit immédiatement que :
f(x)=(2x)T(2x)T(a)((x)T(x)T(a))=(2x)T(2x)T(a)(x)T(x)+T(a)=2T(2x)T(x)f'(x) = (2x)'T(2x) - T(a) - \big( (x)'T(x) - T(a) \big) = (2x)'T(2x) - T(a) - (x)'T(x) + T(a) = 2T(2x) - T(x)
Soit encore :
f(x)=2(2x)4+(2x)2+11(x4+x2+1f'(x) = \dfrac{2}{\sqrt{(2x)^4 + (2x)^2 + 1}} - \dfrac{1}{\sqrt{(x^4 + x^2 + 1}}
Ce qui nous donne :
f(x)=216x4+4x2+11x4+x2+1f'(x) = \dfrac{2}{\sqrt{16x^4 + 4x^2 + 1}} - \dfrac{1}{\sqrt{x^4 + x^2 + 1}}
On constate que f(0)=1f'(0) = 1.
Supposons maintenant que f(x)0f'(x) \geqslant 0. Dans ce cas, on a alors :
216x4+4x2+11x4+x2+10216x4+4x2+11x4+x2+1\dfrac{2}{\sqrt{16x^4 + 4x^2 + 1}} - \dfrac{1}{\sqrt{x^4 + x^2 + 1}} \geqslant 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{2}{\sqrt{16x^4 + 4x^2 + 1}} \geqslant \dfrac{1}{\sqrt{x^4 + x^2 + 1}}
Donc :
2x4+x2+116x4+4x2+12\sqrt{x^4 + x^2 + 1} \geqslant \sqrt{16x^4 + 4x^2 + 1}
Ce qui implique, en élevant au carré, que :
4(x4+x2+1)16x4+4x2+14x4+4x2+416x4+4x2+14x4+416x4+14 \big( x^4 + x^2 + 1 \big) \geqslant 16x^4 + 4x^2 + 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 4x^4 + 4x^2 + 4 \geqslant 16x^4 + 4x^2 + 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 4x^4 + 4 \geqslant 16x^4 + 1
D'où :
4116x44x4312x4312x414x4(12)2(x2)212x2 4-1 \geqslant 16x^4 - 4x^4 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 3 \geqslant 12x^4 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{3}{12} \geqslant x^4 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{4} \geqslant x^4 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 \geqslant (x^2)^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} \geqslant x^2
Comme x0x \geqslant 0, on a donc uniquement :
12x0\dfrac{1}{\sqrt{2}} \geqslant x \geqslant 0
Donc :
f(x)00x12f'(x) \geqslant 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 \leqslant x \leqslant \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Ce qui nous permet d'affirmer que la fonction ff est croissante lorsque 0x120 \leqslant x \leqslant \dfrac{1}{\sqrt{2}}.
Puis, on constate que :
f(x)=02x4+x2+1=16x4+4x2+112=x2f'(x) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 2\sqrt{x^4 + x^2 + 1} = \sqrt{16x^4 + 4x^2 + 1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{2} = x^2
Et comme x0x \geqslant 0, on a donc uniquement :
f(x)=0x=12f'(x) = 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, x = \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Ce qui signifie que x=12x = \dfrac{1}{\sqrt{2}} correspond à un maximum de ff sur R+\mathbb{R}^+, et ce maximum représente l'aire sous la courbe représentative de la fonction positive T:tT(t)=1t4+t2+1T : t \longmapsto T(t) = \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} entre les abscisses 12\dfrac{1}{\sqrt{2}} et 22\dfrac{2}{\sqrt{2}}. Graphiquement, cela correspond à la situation suivante :

Notons par MM ce maximum, et ce dernier vaut (numériquement) environ M0,39M \simeq 0,39.
Donc, on en déduit que lorsque x>12x > \dfrac{1}{\sqrt{2}} la fonction ff est décroissante. Mais nous n'avons à ce stade pas de renseignement sur la limite de ff lorsque x+x \longrightarrow + \infty. En effet, nous savons "simplement" que ff est strictement positive si x>0x >0. C'est pourquoi nous allons déterminer la limite de ff lorsque x+x \longrightarrow + \infty. On a alors :
t4+t2+1=(t2)2+2×t2×12+14+114=(t2+12)2+34t2\sqrt{t^4 + t^2 + 1} = \sqrt{(t^2)^2 + 2\times t^2 \times \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4} + 1 - \dfrac{1}{4} } = \sqrt{\left( t^2 + \dfrac{1}{2} \right)^2 + \dfrac{3}{4} } \geqslant t^2
Donc, on en déduit que :
1t4+t2+11t2\dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \leqslant \dfrac{1}{t^2}
Comme x0x \geqslant 0, cela implique que :
x2x1t4+t2+1dtx2x1t2dt\int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt \leqslant \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{t^2} \, dt
Avec :
x2x1t2dt=[1t]x2x=[1t]2xx=1x12x=12x\int_{x}^{2x} \dfrac{1}{t^2} \, dt = \left[ -\dfrac{1}{t} \right]_{x}^{2x} = \left[ \dfrac{1}{t} \right]_{2x}^{x} = \dfrac{1}{x} - \dfrac{1}{2x} = \dfrac{1}{2x}
Par passage à la limite, on a :
0limx0x2x1t4+t2+1dtlimx0x2x1t2dt0 \leqslant \lim_{x \longrightarrow 0} \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt \leqslant \lim_{x \longrightarrow 0} \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{t^2} \, dt
Soit :
0limx0x2x1t4+t2+1dtlimx012x0 \leqslant \lim_{x \longrightarrow 0} \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt \leqslant \lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{1}{2x}
Or limx012x=0\lim_{x \longrightarrow 0} \dfrac{1}{2x} = 0. Donc le théorème de l'encadrement nous permet de conclure que :
limx0x2x1t4+t2+1dt=0\lim_{x \longrightarrow 0} \int_{x}^{2x} \dfrac{1}{\sqrt{t^4 + t^2 + 1}} \, dt = 0
Ce qui revient à dire que :
limx0f(x)=0\lim_{x \longrightarrow 0} f(x) = 0.
Donc, on a le tableau de variation de ff sur R+\mathbb{R}^+ suivant :

Ceci se vérifie bien graphiquement. En effet, à l'aide d'un logiciel de calcul numérique, on trouve que la courbe représentative de la fonction ff est :