Intégrales impropres en L2 de maths : exercices corrigés
Ces exercices intégrales L2 couvrent tout le chapitre sur les intégrales impropres, du calcul direct par la définition jusqu’aux problèmes de synthèse. Les premiers énoncés entraînent les réflexes de base : repérer les bornes impropres, trouver un équivalent, puis comparer à une intégrale de Riemann.
Ensuite, la difficulté monte avec les intégrales de Bertrand, la convergence absolue, la règle d’Abel et les équivalents de restes. Enfin, quatre problèmes relient séries et intégrales, puis étudient l’intégrale de Dirichlet. Cherchez chaque exercice sur papier avant d’ouvrir le corrigé détaillé, et notez à chaque fois quel critère vous avez utilisé. Par exemple, une erreur fréquente consiste à comparer une fonction qui change de signe : repérez-la tôt. De plus, deux figures accompagnent les énoncés pour visualiser les oscillations.
Pour démarrer
Exercice 1 – Calcul par la définition
Dans chaque cas, revenir à la définition : calculer l’intégrale sur un segment, puis passer à la limite.
- Décomposer \(\frac{1}{t(t+3)}\) en éléments simples, puis montrer que \(\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t(t+3)}\) converge et calculer sa valeur.
- Ensuite, prouver que \(\int_0^{+\infty} \frac{t}{(1+t^2)^2}\,dt\) converge et la calculer.
- En revanche, montrer que \(\int_0^{+\infty} \frac{t}{1+t^2}\,dt\) diverge.
Exercice 2 – Une borne où la fonction explose
Les fonctions suivantes sont continues sur \([0,3[\) et non bornées au voisinage de 3.
- Montrer que \(\int_0^3 \frac{dt}{\sqrt{3-t}}\) converge et calculer sa valeur.
- De même, calculer \(\int_0^3 \frac{dt}{(3-t)^{3/4}}\).
- Enfin, prouver que \(\int_0^3 \frac{dt}{3-t}\) diverge.
Exercice 3 – Quatre natures par équivalent
Déterminer la nature des intégrales suivantes, en justifiant la positivité et l’équivalent utilisé.
- Première intégrale : \(\int_1^{+\infty} \frac{t+5}{t^3+2}\,dt\).
- Deuxième intégrale : \(\int_0^1 \frac{dt}{t^{2/3}(1+t)}\).
- Troisième intégrale : \(\int_1^{+\infty} \frac{\sqrt{t}}{t+4}\,dt\).
- Quatrième intégrale : \(\int_0^1 \frac{dt}{e^t – 1}\).
Exercice 4 – Un paramètre aux deux bords
Soit \(\alpha \in \mathbb{R}\). On considère \(I_\alpha = \int_0^{+\infty} \frac{dt}{t^\alpha (1+t^2)}\).
- Étudier la convergence du morceau sur \(]0,1]\) selon \(\alpha\).
- De même, étudier la convergence du morceau sur \([1,+\infty[\) selon \(\alpha\).
- En déduire l’ensemble des \(\alpha\) pour lesquels \(I_\alpha\) converge, puis calculer \(I_0\).
Exercice 5 – Faux problèmes et vrais problèmes en 0
Pour chacune des intégrales suivantes, dire si la borne 0 pose un faux problème, puis déterminer la nature de l’intégrale.
- D’abord, \(\int_0^1 \frac{1-\cos t}{t^2}\,dt\).
- Ensuite, \(\int_0^{\pi/2} \frac{\sin t}{t^{3/2}}\,dt\).
- Enfin, \(\int_0^1 \frac{\ln(1+t)}{t^2}\,dt\).
Exercice 6 – Une famille calculée par parties
Pour tout entier \(n \geq 0\), on pose \(I_n = \int_0^{+\infty} t^n e^{-t/2}\,dt\).
- Montrer que \(I_n\) converge pour tout \(n\).
- Calculer ensuite \(I_0\).
- Établir, pour \(n \geq 1\), la relation \(I_n = 2n\,I_{n-1}\), à l’aide d’une intégration par parties sur un segment.
- En déduire une expression de \(I_n\) en fonction de \(n\), puis la valeur de \(I_2\).
Pour s’entraîner
Exercice 7 – Intégrales de Bertrand en l’infini
- Soit \(\beta \in \mathbb{R}\). Calculer \(\int_e^x \frac{dt}{t(\ln t)^\beta}\) pour \(x > e\), en distinguant le cas \(\beta = 1\). En déduire la nature de \(\int_e^{+\infty} \frac{dt}{t(\ln t)^\beta}\).
- Par comparaison avec une puissance, déterminer la nature de \(\int_3^{+\infty} \frac{dt}{\sqrt{t}\,\ln t}\).
- De la même façon, étudier \(\int_1^{+\infty} \frac{\ln t}{t^{5/4}}\,dt\).
- Enfin, montrer que \(\int_3^{+\infty} \frac{dt}{t\,\ln t\,\ln(\ln t)}\) diverge, en trouvant une primitive.
Exercice 8 – Intégrales de Bertrand près de 0
- Soit \(\beta \in \mathbb{R}\). À l’aide du changement de variable \(u = -\ln t\), déterminer la nature de \(\int_0^{1/2} \frac{dt}{t\,|\ln t|^\beta}\).
- En déduire la valeur de \(\int_0^{1/2} \frac{dt}{t\,(\ln t)^2}\).
- Par ailleurs, déterminer la nature de \(\int_0^{1/3} \frac{dt}{\sin(t)\,(\ln t)^2}\).
Exercice 9 – Deux changements de variable
- Justifier la convergence de \(\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t\sqrt{t-1}}\) aux deux bornes, puis la calculer avec \(u = \sqrt{t-1}\).
- De même, calculer \(\int_0^{+\infty} e^{-\sqrt{t}}\,dt\) avec le changement de variable \(t = u^2\).
Exercice 10 – Convergence absolue et calcul complexe
- Prouver que \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos(3t)}{t^2+t}\,dt\) converge absolument.
- Ensuite, justifier que \(t \mapsto e^{-t}\sin(2t)\) est intégrable sur \([0,+\infty[\).
- Calculer \(\int_0^{+\infty} e^{(-1+2i)t}\,dt\), puis en déduire la valeur de \(\int_0^{+\infty} e^{-t}\sin(2t)\,dt\).
Exercice 11 – Semi-convergence de cos(t) sur racine de t
On étudie \(\int_1^{+\infty} \frac{\cos t}{\sqrt{t}}\,dt\). La figure montre la fonction et ses deux enveloppes \(\pm \frac{1}{\sqrt{t}}\).

- À l’aide d’une intégration par parties sur \([1,x]\), montrer que l’intégrale converge.
- Établir, pour tout réel \(t\), l’inégalité \(|\cos t| \geq \cos^2 t\).
- En déduire que \(t \mapsto \frac{\cos t}{\sqrt{t}}\) n’est pas intégrable sur \([1,+\infty[\). Conclure.
Exercice 12 – Le critère de Cauchy en action
- Pour tout entier \(n \geq 1\), calculer \(\int_{n\pi}^{2n\pi} |\sin t|\,dt\).
- En déduire que \(\int_{n\pi}^{2n\pi} \frac{|\sin t|}{t}\,dt \geq \frac{1}{\pi}\), puis que \(\int_\pi^{+\infty} \frac{|\sin t|}{t}\,dt\) diverge, grâce au critère de Cauchy.
- Soit \(f\) positive, continue et décroissante sur \([1,+\infty[\), telle que \(\int_1^{+\infty} f\) converge. Montrer, avec le critère de Cauchy, que \(x f(x)\) tend vers 0 en \(+\infty\). On pourra minorer \(\int_{x/2}^{x} f\).
Exercice 13 – Deux applications de la règle d’Abel
- Montrer que \(\int_2^{+\infty} \frac{\sin t}{\ln t}\,dt\) converge.
- Cependant, montrer que cette intégrale ne converge pas absolument.
- On pose \(g(t) = \frac{\arctan t}{t}\) pour \(t \geq 1\). Étudier les variations et la limite de \(g\), puis montrer que \(\int_1^{+\infty} \frac{\arctan(t)\,\sin t}{t}\,dt\) converge.
Exercice 14 – Équivalent et encadrement d’un reste
Pour \(x \geq 1\), on pose \(R(x) = \int_x^{+\infty} \frac{dt}{t^3+1}\).
- Justifier l’existence de \(R(x)\).
- Par intégration d’un équivalent, montrer que \(R(x) \sim \frac{1}{2x^2}\) quand \(x\) tend vers \(+\infty\).
- Établir plus précisément l’encadrement \(0 \leq \frac{1}{2x^2} – R(x) \leq \frac{1}{5x^5}\).
Exercice 15 – Équivalent d’une intégrale partielle divergente
Pour \(x \geq 2\), on pose \(F(x) = \int_2^x \frac{dt}{\ln t}\).
- D’abord, montrer que \(F(x)\) tend vers \(+\infty\).
- Établir, par une intégration par parties, \(F(x) = \frac{x}{\ln x} – \frac{2}{\ln 2} + \int_2^x \frac{dt}{(\ln t)^2}\).
- Enfin, prouver que \(\int_2^x \frac{dt}{(\ln t)^2} = o(F(x))\), puis en déduire un équivalent simple de \(F(x)\).
Pour approfondir
Exercice 16 – Problème – Séries et intégrales en parallèle
Soit \(n_0 \geq 1\) un entier et \(f\) une fonction continue, positive et décroissante sur \([n_0,+\infty[\).
- Montrer que, pour tout entier \(k \geq n_0 + 1\), on a \(f(k) \leq \int_{k-1}^{k} f(t)\,dt \leq f(k-1)\).
- En déduire que la série \(\sum f(n)\) et l’intégrale \(\int_{n_0}^{+\infty} f\) ont la même nature.
- Déterminer la nature des séries \(\sum_{n \geq 2} \frac{1}{n \ln n}\) et \(\sum_{n \geq 3} \frac{1}{n (\ln n)^{3/2}}\).
- Pour \(n \geq 1\), on note \(r_n = \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{1}{k^3}\). Montrer que \(\frac{1}{2(n+1)^2} \leq r_n \leq \frac{1}{2n^2}\), puis donner un équivalent de \(r_n\).
- On note \(H_n = \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}\). Montrer que \(\ln(n+1) \leq H_n \leq 1 + \ln n\), puis que \(H_n \sim \ln n\).
Exercice 17 – Problème – L’intégrale de Dirichlet
On note \(J = \int_0^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\,dt\).
- D’abord, vérifier que la borne 0 est un faux problème et que \(J\) converge.
- Ensuite, prouver que \(t \mapsto \frac{\sin^2 t}{t^2}\) est intégrable sur \(]0,+\infty[\).
- Pour \(0 < \varepsilon < x\), intégrer par parties \(\int_\varepsilon^x \frac{\sin^2 t}{t^2}\,dt\), puis établir \(J = \int_0^{+\infty} \frac{\sin^2 t}{t^2}\,dt\).
- En déduire que \(J > 0\).
- Pour \(a \neq 0\) réel, exprimer \(\int_0^{+\infty} \frac{\sin(at)}{t}\,dt\) en fonction de \(J\), selon le signe de \(a\).
Exercice 18 – Problème – Une intégrale logarithmique
- Justifier la convergence de \(I = \int_0^{+\infty} \frac{\ln t}{1+t^2}\,dt\).
- À l’aide du changement de variable \(t = \frac{1}{u}\), montrer que \(I = 0\).
- Soit \(a > 0\). Montrer que \(\int_0^{+\infty} \frac{\ln t}{t^2+a^2}\,dt\) converge, puis, avec \(t = a u\), qu’elle vaut \(\frac{\pi \ln a}{2a}\).
- En déduire la valeur de \(\int_0^{+\infty} \frac{\ln t}{t^2+4}\,dt\).
Exercice 19 – Problème – Une intégrale de Fresnel
On étudie \(S = \int_0^{+\infty} \sin(t^2)\,dt\). La figure montre que la fonction oscille de plus en plus vite sans s’amortir.

- Pour \(x > 1\), montrer avec \(u = t^2\) que \(\int_1^x \sin(t^2)\,dt = \int_1^{x^2} \frac{\sin u}{2\sqrt{u}}\,du\). En déduire que \(S\) converge.
- Ensuite, vérifier que \(\sin(t^2)\) ne tend pas vers 0 quand \(t\) tend vers \(+\infty\).
- De plus, en minorant \(\int_2^x |\sin(t^2)|\,dt\) après le même changement de variable, prouver que \(t \mapsto \sin(t^2)\) n’est pas intégrable sur \([0,+\infty[\).
- Enfin, montrer que \(\int_0^{+\infty} t\,\sin(t^4)\,dt\) converge et vaut \(\frac{S}{2}\), alors que la fonction \(t \mapsto t\sin(t^4)\) n’est même pas bornée.
Pour aller plus loin
- Revoir la leçon : cours de L2 de maths sur intégrales impropres
- Bases utiles : Séries positives : Riemann, Bertrand et comparaison
- Chapitre d’avant : Convergence absolue, séries alternées et Abel
- Chapitre d’après : Diagonaliser une matrice et applications
- Vérifier ses acquis : QCM de L2 de maths sur intégrales impropres
- Contrôle corrigé en temps limité : Convergence d'intégrales impropres : contrôle de maths en L2
- Un autre sujet noté sur 20 : Intégrale de sin(t)/t et règle d'Abel : contrôle de maths en L2
- Le même thème en maths spé (MP) : Convergence dominée et intégrales à paramètre
- Le même thème en maths sup (MPSI) : Critères de convergence des séries numériques
- Tous les chapitres : le sommaire de la L2 de maths
- Après le bac : les maths post-bac, de la MPSI à la L3
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