Fonction Gamma et intégrale de Gauss : contrôle de maths en L2

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Voici un contrôle de maths en L2 sur le thème « fonction Gamma et intégrale de Gauss », avec son barème et un corrigé détaillé.

Ce contrôle continu d’une heure trente porte sur les intégrales à paramètre, au semestre 4, juste après l’étude de la fonction Gamma. D’abord, une intégrale simple sur \(]0, 1]\) vous fait rédiger une hypothèse de domination complète, puis dériver deux fois sous le signe intégrale. Ensuite, deux exercices construisent la fonction Gamma : domaine de définition, relation fonctionnelle, continuité, dérivabilité et convexité. Un court exercice relie Gamma à la transformée de Laplace. Enfin, le problème calcule l’intégrale de Gauss par une intégrale à paramètre sur un segment, sans intégrale double. Chaque théorème appliqué doit être nommé, avec toutes ses hypothèses vérifiées.

Ce qu’évalue le contrôle : fonction Gamma et intégrale de Gauss

L’essentiel du sujet

  • NiveauL2
  • Durée1 heure 30
  • Calculatriceinterdite
  • Barèmesur 20

Chapitre : Continuité et dérivation sous l’intégrale, Gamma (5 exercices)

Ce que ce devoir vérifie :

  • Rédiger une hypothèse de domination pour dériver une intégrale à paramètre sur un intervalle quelconque
  • Établir le domaine de définition de la fonction Gamma et la relation entre Gamma en x + 1 et Gamma en x
  • Démontrer la continuité, la dérivabilité et la convexité de la fonction Gamma
  • Calculer une transformée de Laplace d’une puissance par changement de variable
  • Calculer l’intégrale de Gauss à l’aide d’une intégrale à paramètre sur un segment

Avant de commencer le devoir

Pour chaque intégrale à paramètre, rédigez les hypothèses dans le même ordre : régularité en \(x\), continuité par morceaux en \(t\), puis domination par une fonction intégrable et indépendante de \(x\). Dominez sur un segment \([a, b]\) du domaine plutôt que sur tout le domaine, car c’est souvent impossible globalement. Ensuite, séparez les bornes 0 et \(+\infty\) pour étudier l’intégrabilité. Enfin, dans le problème, vérifiez la continuité en 0 avant de prolonger une égalité obtenue sur \(]0, +\infty[\).

Le sujet du contrôle : fonction Gamma et intégrale de Gauss

Exercice 1 – Une intégrale dérivée deux fois (4 points)

Pour tout réel \(x > -1\), on pose \(H(x) = \int_0^1 t^x \, \mathrm{d}t\). La figure représente la fonction \(t \mapsto t^x \ln t\) sur \(]0, 1]\) pour trois valeurs de \(x\) : elle tend vers \(-\infty\) en 0 lorsque \(x \leq 0\), ce qui rend l’intégrale impropre.

Courbes de la fonction t puissance x fois ln t sur l'intervalle de 0 à 1 pour x égal à -1/2, 0 et 1
  1. Calculer \(H(x)\) pour tout \(x > -1\). (0,5 point)
  2. Soit \(a > -1\). Montrer que, pour tout \(x \geq a\) et tout \(t \in \, ]0, 1]\), on a \(\left|t^x \ln t\right| \leq t^a \left|\ln t\right|\). Prouver ensuite que \(t \mapsto t^a \left|\ln t\right|\) est intégrable sur \(]0, 1]\). (1,5 point)
  3. En déduire que \(H\) est de classe \(C^1\) sur \(]-1, +\infty[\), puis calculer \(\int_0^1 t^x \ln t \, \mathrm{d}t\) pour \(x > -1\). (1 point)
  4. Calculer \(\int_0^1 t^2 \ln t \, \mathrm{d}t\). En admettant que l’on peut dériver une seconde fois sous le signe intégrale, calculer aussi \(\int_0^1 (\ln t)^2 \, \mathrm{d}t\). (1 point)

Exercice 2 – Définition de la fonction Gamma (3 points)

Pour tout réel \(x\), on considère l’intégrale \(\Gamma(x) = \int_0^{+\infty} t^{x-1} \mathrm{e}^{-t} \, \mathrm{d}t\), lorsqu’elle converge.

  1. Montrer que cette intégrale converge si et seulement si \(x > 0\). (1,5 point)
  2. Établir, par une intégration par parties soigneusement justifiée, que \(\Gamma(x + 1) = x\,\Gamma(x)\) pour tout \(x > 0\). (1 point)
  3. Calculer \(\Gamma(1)\), puis en déduire \(\Gamma(n + 1)\) pour tout entier naturel \(n\). (0,5 point)

Exercice 3 – Régularité et minimum de Gamma (4,5 points)

On note \(f(x, t) = t^{x-1} \mathrm{e}^{-t}\) pour \(x > 0\) et \(t > 0\). La courbe de \(\Gamma\) est tracée ci-dessous sur \(]0, 4]\) ; elle suggère un minimum entre 1 et 2.

Courbe de la fonction Gamma sur l'intervalle de 0 à 4 passant par les points (1 ; 1), (2 ; 1) et (3 ; 2)
  1. Soit \(0 < a < b\). Montrer que, pour tout \(x \in [a, b]\) et tout \(t > 0\), \(f(x, t) \leq t^{a-1}\mathrm{e}^{-t} + t^{b-1}\mathrm{e}^{-t}\). Démontrer alors que \(\Gamma\) est continue sur \(]0, +\infty[\). (1,5 point)
  2. Prouver que \(\Gamma\) est de classe \(C^2\) sur \(]0, +\infty[\) et donner une expression intégrale de \(\Gamma^{\prime\prime}(x)\). (1 point)
  3. Montrer que \(\Gamma\) est strictement convexe, puis qu’elle atteint son minimum en un unique point \(c\) de \(]1, 2[\). (1 point)
  4. Déterminer un équivalent de \(\Gamma(x)\) quand \(x\) tend vers 0 par valeurs positives. (1 point)

Exercice 4 – Transformée de Laplace d’une puissance (2 points)

Pour \(x > 0\) et \(s > 0\), on pose \(L_x(s) = \int_0^{+\infty} t^{x-1} \mathrm{e}^{-st} \, \mathrm{d}t\).

  1. Justifier la convergence de cette intégrale, puis montrer que \(L_x(s) = \frac{\Gamma(x)}{s^x}\). (1 point)
  2. Calculer ainsi \(\int_0^{+\infty} t^3 \mathrm{e}^{-2t} \, \mathrm{d}t\) et \(\int_0^{+\infty} t^4 \mathrm{e}^{-3t} \, \mathrm{d}t\). (1 point)

Exercice 5 – Problème : l’intégrale de Gauss (6,5 points)

On souhaite calculer \(I = \int_0^{+\infty} \mathrm{e}^{-u^2} \, \mathrm{d}u\). Pour cela, on pose, pour tout \(y \geq 0\) et tout \(x \geq 0\) :

\[J(y) = \int_0^{y} \mathrm{e}^{-u^2} \, \mathrm{d}u, \quad g(x) = J\left(\sqrt{x}\right)^2 \quad \text{et} \quad h(x) = \int_0^1 \frac{\mathrm{e}^{-x(1 + t^2)}}{1 + t^2} \, \mathrm{d}t.\]

  1. Justifier la convergence de l’intégrale \(I\). (0,5 point)
  2. Montrer que \(h\) est continue sur \([0, +\infty[\) et calculer \(h(0)\). (1 point)
  3. Prouver que \(h\) est de classe \(C^1\) sur \([0, +\infty[\). Établir ensuite que, pour tout \(x > 0\), \(h^{\prime}(x) = -\frac{\mathrm{e}^{-x}}{\sqrt{x}}\,J\left(\sqrt{x}\right)\). (1,5 point)
  4. Calculer \(g^{\prime}(x)\) pour \(x > 0\). En déduire que \(h(x) + g(x) = \frac{\pi}{4}\) pour tout \(x \geq 0\). (1,5 point)
  5. Montrer que \(h\) tend vers 0 en \(+\infty\), puis conclure que \(I = \frac{\sqrt{\pi}}{2}\). (1 point)
  6. Déduire de ce qui précède la valeur de \(\Gamma\left(\frac{1}{2}\right)\), puis celle de \(\Gamma\left(\frac{5}{2}\right)\). (1 point)

Voir le corrigé du contrôle : fonction gamma et intégrale de gauss (L2)

Réviser fonction Gamma et intégrale de Gauss avant le contrôle

La page contrôles de maths en L2 regroupe les 25 sujets de l’année, et la page maths post-bac permet de changer d’année.

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