Convergence d’intégrales impropres : corrigé du contrôle de maths en L2

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Voici le corrigé du contrôle de maths en L2 sur le thème « convergence d’intégrales impropres », question par question.

Cette correction suit l’ordre du sujet et rédige chaque réponse comme une copie de partiel. Pour chaque intégrale, elle commence par la continuité sur l’intervalle ouvert, puis elle examine les bornes une à une. Les comparaisons citent toujours le signe de la fonction, sans lequel elles seraient fausses. Ensuite, les intégrations par parties sont menées sur un segment, et chaque limite du crochet est justifiée avant le passage à la limite. Le problème distingue soigneusement convergence et convergence absolue, puis majore le reste. Des graphiques accompagnent aussi les intégrales de Bertrand et la fonction oscillante. Cherchez d’abord seul chaque exercice, puis comparez vos arguments aux nôtres.

L’énoncé complet se trouve ici : Convergence d’intégrales impropres : contrôle de maths en L2.

Barème du contrôle corrigé : convergence d’intégrales impropres

Exercice Points
1. Question de cours : les intégrales de Riemann 3 points
2. Quatre natures par comparaison 4,5 points
3. Autour des intégrales de Bertrand 4 points
4. Un logarithme intégré par parties 4 points
5. Problème : une oscillation de plus en plus rapide 4,5 points
Total 20 points

Le corrigé détaillé : convergence d’intégrales impropres

Exercice 1 – Question de cours : les intégrales de Riemann (3 points)

  1. Si \(\alpha \neq 1\), une primitive de \(t^{-\alpha}\) est \(\frac{t^{1-\alpha}}{1-\alpha}\), donc \(\int_1^X \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}} = \frac{X^{1-\alpha} – 1}{1 – \alpha}\). Si \(\alpha = 1\), cette intégrale vaut \(\ln X\).

    Lorsque \(\alpha > 1\), l’exposant \(1 – \alpha\) est négatif : \(X^{1-\alpha}\) tend vers \(0\), et l’intégrale tend vers \(\frac{1}{\alpha – 1}\). En revanche, si \(\alpha < 1\), \(X^{1-\alpha}\) tend vers \(+\infty\) ; de même, \(\ln X\) tend vers \(+\infty\) quand \(\alpha = 1\). Ainsi l’intégrale converge si et seulement si \(\alpha > 1\), et elle vaut alors \(\frac{1}{\alpha – 1}\).

  2. L’intégrale \(\int_0^1 \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}}\) converge si et seulement si \(\alpha < 1\) ; elle vaut alors \(\frac{1}{1 – \alpha}\).
  3. La fonction \(f : t \mapsto \frac{1}{t^{1/3}(1+t^2)}\) est continue et positive sur \(]0, +\infty[\), donc on étudie séparément les deux bornes. En \(0\), on a \(f(t) \sim \frac{1}{t^{1/3}}\), et \(\frac{1}{3} < 1\) : \(f\) est intégrable sur \(]0, 1]\). En \(+\infty\), ensuite, \(f(t) \sim \frac{1}{t^{7/3}}\), et \(\frac{7}{3} > 1\) : \(f\) est intégrable sur \([1, +\infty[\). Par conséquent, \(f\) est intégrable sur \(]0, +\infty[\).

Barème : 1) calcul de l’intégrale partielle (0,5), discussion des trois cas (0,75), valeur (0,25) ; 2) 0,5 point ; 3) borne \(0\) (0,5), borne \(+\infty\) (0,5).

Piège classique : oublier le cas \(\alpha = 1\), où la primitive n’est plus une puissance mais un logarithme.

Exercice 2 – Quatre natures par comparaison (4,5 points)

  1. La fonction est continue sur \([1, +\infty[\) et strictement positive, car \(\sqrt{t^2 + 3} > t\). Grâce à la quantité conjuguée, \(\sqrt{t^2 + 3} – t = \frac{3}{\sqrt{t^2 + 3} + t} \sim \frac{3}{2t}\) en \(+\infty\). Or \(\int_1^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t}\) diverge, et les deux fonctions sont positives. Donc cette intégrale diverge.
  2. La fonction est continue et positive sur \(]0, 1]\) ; seule la borne \(0\) pose problème. Comme \(\ln(1 + u) \sim u\) quand \(u\) tend vers \(0\), on obtient \(\frac{\ln(1 + \sqrt{t})}{t} \sim \frac{\sqrt{t}}{t} = \frac{1}{t^{1/2}}\). Puisque \(\frac{1}{2} < 1\), le critère de Riemann en \(0\) s’applique. Cette intégrale converge donc.
  3. Sur \(]0, \frac{\pi}{2}]\), le sinus est strictement positif, si bien que la fonction est continue et positive. En \(0\), \(\sin t \sim t\), donc \((\sin t)^{2/3} \sim t^{2/3}\), et la fonction est équivalente à \(\frac{1}{t^{2/3}}\). Or \(\frac{2}{3} < 1\). Le critère de Riemann en \(0\) donne la convergence de cette troisième intégrale.
  4. Notons \(h(t) = t^5\,\mathrm{e}^{-\sqrt{t}}\) ; cette expression définit une fonction continue à valeurs positives sur \([1, +\infty[\). Avec \(u = \sqrt{t}\), le produit \(t^2 h(t) = t^7\,\mathrm{e}^{-\sqrt{t}}\) s’écrit \(u^{14}\,\mathrm{e}^{-u}\) : l’exponentielle l’emporte sur la puissance, et ce produit a pour limite \(0\). On dispose alors d’un réel \(A \geq 1\) tel que \(0 \leq h(t) \leq \frac{1}{t^2}\) pour \(t \geq A\). Comme \(\int_A^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^2}\) converge, l’intégrale de \(h\) sur \([A, +\infty[\) converge aussi ; de plus, \(h\) est continue sur le segment \([1, A]\). Ainsi \(\int_1^{+\infty} t^5\,\mathrm{e}^{-\sqrt{t}}\,\mathrm{d}t\) converge.

Barème : a) b) c) 1 point chacune (continuité et signe 0,25, équivalent 0,5, conclusion 0,25) ; d) croissances comparées (0,75), domination et conclusion (0,75).

Piège classique : en d), écrire « \(h(t) \to 0\) donc l’intégrale converge ». Une limite nulle ne suffit jamais : il faut comparer \(h\) à une fonction intégrable.

Exercice 3 – Autour des intégrales de Bertrand (4 points)

  1. Sur \(]1, +\infty[\), \(\ln t > 0\), et la dérivée de \(\ln(\ln t)\) vaut \(\frac{1/t}{\ln t} = \frac{1}{t \ln t}\). Pour \(X > 2\), on a donc \(\int_2^X \frac{\mathrm{d}t}{t \ln t} = \ln(\ln X) – \ln(\ln 2)\), qui tend vers \(+\infty\). L’intégrale \(\int_2^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t \ln t}\) diverge.
  2. De même, la dérivée de \(-\frac{1}{\ln t}\) est \(\frac{1}{t (\ln t)^2}\). Pour \(X > \mathrm{e}\), il vient \(\int_{\mathrm{e}}^X \frac{\mathrm{d}t}{t (\ln t)^2} = \frac{1}{\ln \mathrm{e}} – \frac{1}{\ln X} = 1 – \frac{1}{\ln X}\), qui tend vers \(1\). Cette intégrale converge donc, et elle vaut \(1\). La figure compare les deux intégrales partielles : la première croît sans limite, très lentement, tandis que la seconde reste sous la droite \(y = 1\).
    Intégrales partielles ln ln X, croissante non bornée, et 1 moins 1 sur ln X, qui tend vers 1, en échelle logarithmique
  3. La fonction \(t \mapsto \frac{\ln t}{t^{3/2}}\) est continue et positive sur \([2, +\infty[\). Ensuite, \(t^{5/4} \times \frac{\ln t}{t^{3/2}} = \frac{\ln t}{t^{1/4}}\) tend vers \(0\) par croissances comparées, donc \(\frac{\ln t}{t^{3/2}} = o\left(\frac{1}{t^{5/4}}\right)\). Comme \(\frac{5}{4} > 1\), l’intégrale \(\int_2^{+\infty} \frac{\ln t}{t^{3/2}}\,\mathrm{d}t\) converge.
  4. Sur \(]0, \frac{1}{2}]\), on a \(\ln t < 0\), donc \(|\ln t|^3 = -(\ln t)^3\). Posons \(G(t) = \frac{1}{2(\ln t)^2}\) : alors \(G^{\prime}(t) = -\frac{1}{t (\ln t)^3} = \frac{1}{t\,|\ln t|^3}\). Pour \(0 < a < \frac{1}{2}\), on obtient \(\int_a^{1/2} \frac{\mathrm{d}t}{t\,|\ln t|^3} = \frac{1}{2(\ln 2)^2} – \frac{1}{2(\ln a)^2}\). Or \((\ln a)^2\) tend vers \(+\infty\) quand \(a\) tend vers \(0\). L’intégrale converge donc, et elle vaut \(\frac{1}{2(\ln 2)^2}\).

Barème : 1) dérivée (0,5), divergence (0,5) ; 2) primitive et limite (0,5), valeur (0,5) ; 3) négligeabilité (0,5), conclusion avec le critère de Riemann (0,5) ; 4) primitive avec le signe du logarithme (0,5), limite et valeur (0,5).

Piège classique : en 4, oublier que \(\ln t\) est négatif et écrire \(|\ln t|^3 = (\ln t)^3\) : on obtient alors une intégrale négative d’une fonction positive.

Exercice 4 – Un logarithme intégré par parties (4 points)

  1. Pour \(t > 0\), \(1 + \frac{4}{t^2} = \frac{t^2 + 4}{t^2}\), d’où \(g(t) = \ln(t^2 + 4) – 2\ln t\). La fonction \(g\) est continue et positive sur \(]0, +\infty[\). Sur \(]0, 1]\), d’une part, \(\ln(t^2 + 4)\) est bornée ; d’autre part, \(\sqrt{t}\,|\ln t|\) tend vers \(0\), donc \(|\ln t| = o\left(\frac{1}{t^{1/2}}\right)\) et \(\ln t\) est intégrable en \(0\). Ainsi \(g\) est intégrable sur \(]0, 1]\).
  2. Quand \(t\) tend vers \(+\infty\), \(\frac{4}{t^2}\) tend vers \(0\), et \(\ln(1 + u) \sim u\) donne \(g(t) \sim \frac{4}{t^2}\). Les fonctions sont positives et \(2 > 1\), donc \(g\) est intégrable sur \([1, +\infty[\). Avec la question 1, l’intégrale \(K\) converge.
  3. Question 3 : l’intégration par parties

    On dérive \(g\) : \(g^{\prime}(t) = \frac{2t}{t^2 + 4} – \frac{2}{t} = \frac{-8}{t(t^2 + 4)}\). Les fonctions \(g\) et \(t \mapsto t\) sont de classe \(C^1\) sur \([a, X]\), d’où :

    \[\int_a^X g(t)\,\mathrm{d}t = \left[t\,g(t)\right]_a^X – \int_a^X t\,g^{\prime}(t)\,\mathrm{d}t = X g(X) – a g(a) + \int_a^X \frac{8}{t^2 + 4}\,\mathrm{d}t.\]

    En \(+\infty\), \(X g(X) \sim X \times \frac{4}{X^2} = \frac{4}{X}\), qui tend vers \(0\). En \(0\), ensuite, \(a g(a) = a\ln(a^2 + 4) – 2a\ln a\) : le premier terme tend vers \(0 \times \ln 4 = 0\), et le second aussi, car \(a \ln a\) tend vers \(0\). Le crochet tend donc vers \(0\) aux deux bornes.

  4. Par passage à la limite, \(K = \int_0^{+\infty} \frac{8\,\mathrm{d}t}{t^2 + 4} = 8\left[\frac{1}{2}\arctan\frac{t}{2}\right]_0^{+\infty} = 4 \times \frac{\pi}{2}\). Finalement, \(K = 2\pi\).

Barème : 1) écriture de \(g\) (0,25), intégrabilité de \(\ln\) en \(0\) (0,75) ; 2) équivalent (0,5), conclusion (0,5) ; 3) dérivée de \(g\) (0,5), formule sur \([a, X]\) (0,25), limites du crochet justifiées (0,75) ; 4) 0,5 point.

Piège classique : intégrer par parties directement sur \(]0, +\infty[\) sans vérifier les limites du crochet. Si l’une d’elles n’existait pas, la formule obtenue n’aurait aucun sens.

Exercice 5 – Problème : une oscillation de plus en plus rapide (4,5 points)

  1. L’application \(t \mapsto \mathrm{e}^{t}\) est de classe \(C^1\), strictement croissante, et réalise une bijection de \([0, +\infty[\) sur \([1, +\infty[\). Avec \(u = \mathrm{e}^{t}\), on a \(\mathrm{d}u = u\,\mathrm{d}t\), donc \(\int_0^X \cos\left(\mathrm{e}^{t}\right)\mathrm{d}t = \int_1^{\mathrm{e}^X} \frac{\cos u}{u}\,\mathrm{d}u\). Par le théorème de changement de variable, \(I\) et \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos u}{u}\,\mathrm{d}u\) ont la même nature, et la même valeur en cas de convergence.
  2. Question 2 : la convergence par parties

    Les fonctions \(u \mapsto \sin u\) et \(u \mapsto \frac{1}{u}\) sont de classe \(C^1\) sur \([1, X]\), donc :

    \[\int_1^X \frac{\cos u}{u}\,\mathrm{d}u = \frac{\sin X}{X} – \sin 1 + \int_1^X \frac{\sin u}{u^2}\,\mathrm{d}u.\]

    D’une part, \(\left|\frac{\sin X}{X}\right| \leq \frac{1}{X}\), qui tend vers \(0\). D’autre part, \(\left|\frac{\sin u}{u^2}\right| \leq \frac{1}{u^2}\), fonction intégrable sur \([1, +\infty[\) : la dernière intégrale converge absolument, donc elle converge. Le membre de gauche admet ainsi une limite finie. Par conséquent, \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos u}{u}\,\mathrm{d}u\) converge, et \(I\) aussi. La figure confirme que \(\int_0^X \cos(\mathrm{e}^{t})\,\mathrm{d}t\) se stabilise.

    Intégrale partielle de cosinus de exponentielle de t entre 0 et X, qui oscille de moins en moins autour de sa limite I
  3. Pour \(u \geq 1\), on a \(\frac{|\cos u|}{u} \geq \frac{\cos^2 u}{u} = \frac{1}{2u} + \frac{\cos(2u)}{2u}\). Le changement de variable \(v = 2u\) ramène \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos(2u)}{2u}\,\mathrm{d}u\) à \(\frac{1}{2}\int_2^{+\infty} \frac{\cos v}{v}\,\mathrm{d}v\), qui converge d’après la question 2. En revanche, \(\int_1^{+\infty} \frac{\mathrm{d}u}{2u}\) diverge. La somme d’une intégrale divergente et d’une intégrale convergente diverge, donc \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos^2 u}{u}\,\mathrm{d}u\) diverge ; par comparaison de fonctions positives, \(\int_1^{+\infty} \frac{|\cos u|}{u}\,\mathrm{d}u\) diverge. Enfin, le même changement de variable transforme \(\int_0^{+\infty} \left|\cos(\mathrm{e}^{t})\right|\mathrm{d}t\) en cette intégrale divergente. Ainsi \(I\) est semi-convergente : elle converge, mais pas absolument.
  4. On reprend l’intégration par parties sur \([X, Y]\), puis on fait tendre \(Y\) vers \(+\infty\) : \(R(X) = -\frac{\sin X}{X} + \int_X^{+\infty} \frac{\sin u}{u^2}\,\mathrm{d}u\). Par l’inégalité triangulaire, \(|R(X)| \leq \frac{1}{X} + \int_X^{+\infty} \frac{\mathrm{d}u}{u^2} = \frac{1}{X} + \frac{1}{X}\). Donc \(|R(X)| \leq \frac{2}{X}\). Ensuite, le changement de variable de la question 1, appliqué sur \([A, +\infty[\), donne \(\int_A^{+\infty} \cos\left(\mathrm{e}^{t}\right)\mathrm{d}t = R\left(\mathrm{e}^{A}\right)\). On en déduit \(\left|\int_A^{+\infty} \cos\left(\mathrm{e}^{t}\right)\mathrm{d}t\right| \leq 2\,\mathrm{e}^{-A}\).

Barème : 1) hypothèses du changement de variable (0,5), intégrale obtenue (0,5) ; 2) intégration par parties (0,5), limite du crochet (0,5), convergence absolue du reste et conclusion (0,5) ; 3) minoration et décomposition (0,5), divergence et conclusion sur \(I\) (0,5) ; 4) majoration du reste (0,5), traduction pour \(I\) (0,5).

Piège classique : croire que \(I\) diverge parce que \(\cos(\mathrm{e}^{t})\) ne tend pas vers \(0\). Pour une intégrale, contrairement à une série, cette condition n’est pas nécessaire.

À retenir de ce contrôle

  • L’intégrale de 1 sur t puissance alpha converge en l’infini si et seulement si alpha est strictement supérieur à 1, et en 0 si et seulement si alpha est strictement inférieur à 1.
  • Les critères par équivalent, domination ou négligeabilité exigent une fonction de signe constant au voisinage de la borne étudiée.
  • Une intégration par parties se fait sur un segment : on calcule la limite du crochet, puis on conclut sur l’intégrale restante.
  • Une intégrale semi-convergente converge sans que l’intégrale de la valeur absolue converge, comme celle de cos u sur u en l’infini.
  • Le changement de variable par une bijection de classe C1 strictement monotone conserve la nature d’une intégrale impropre.

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Consolider convergence d’intégrales impropres après ce corrigé

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