Ce contrôle de maths de L2 porte sur le thème suivant : intégrales généralisées et intégrabilité.
Ce partiel de deux heures, niveau deuxième année de licence, évalue votre maîtrise des intégrales généralisées. La question de cours porte sur les intégrales de Riemann, références de toutes les comparaisons. Vous étudierez ensuite quatre intégrales impropres, puis vous établirez la relation fondamentale de la fonction Gamma.
Le problème final montre qu’une intégrale peut converger sans que la fonction soit intégrable : c’est le cas de sin(t)/t, exemple type de semi-convergence. Chaque intégration par parties doit être faite sur un segment, puis suivie d’un passage à la limite soigneusement justifié.
- Niveau : licence L2
- Chapitre : Intégrales généralisées
- Durée conseillée : 2 heures
- Barème : sur 20 points (exercice 1 : 4 points ; exercice 2 : 5 points ; exercice 3 : 4 points ; exercice 4 : 7 points)
- Compétences évaluées :
- Raisonner : démontrer la nature des intégrales de Riemann
- Chercher : comparer une fonction positive à une référence au voisinage d’une borne
- Calculer : intégrer par parties ou changer de variable sur un intervalle ouvert
- Communiquer : justifier chaque passage à la limite
Exercice 1 : Question de cours, les intégrales de Riemann (4 points)
Calculatrice interdite. Documents interdits. Durée : 2 heures.
Soit \(\alpha\) un réel.
- Démontrez que l’intégrale \(\displaystyle\int_{1}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}}\) converge si et seulement si \(\alpha > 1\), et donnez alors sa valeur. (1,5 point)
- Démontrez que l’intégrale \(\displaystyle\int_{0}^{1} \frac{\mathrm{d}t}{t^{\alpha}}\) converge si et seulement si \(\alpha < 1\), et donnez alors sa valeur. (1,5 point)
- Énoncez le théorème de comparaison par équivalents pour les intégrales généralisées de fonctions positives sur \([a, b[\). (1 point)
Exercice 2 : Nature et calcul de quatre intégrales (5 points)
Pour chaque intégrale, précisez le ou les points où elle est impropre et justifiez sa nature.
- Montrez que \(I = \displaystyle\int_{0}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{\sqrt{t}\,(1+t)}\) converge, puis calculez-la à l’aide du changement de variable \(u = \sqrt{t}\). (1,5 point)
- Montrez que \(J = \displaystyle\int_{1}^{+\infty} \frac{\ln t}{t^2}\,\mathrm{d}t\) converge, puis calculez-la par une intégration par parties sur \([1, x]\). (1,5 point)
- Déterminez la nature de \(\displaystyle\int_{2}^{+\infty} \frac{\mathrm{d}t}{t \ln t}\). (1 point)
- Déterminez la nature de \(\displaystyle\int_{0}^{1} \frac{1 – \cos t}{t^{5/2}}\,\mathrm{d}t\). (1 point)
Exercice 3 : La fonction Gamma aux entiers (4 points)
Pour \(x > 0\), on pose \(\Gamma(x) = \displaystyle\int_{0}^{+\infty} t^{x-1} e^{-t}\,\mathrm{d}t\).
- Montrez que cette intégrale converge pour tout \(x > 0\). (1,5 point)
- Par une intégration par parties sur un segment \([\varepsilon, A]\) avec \(0 < \varepsilon < A\), suivie d’un passage à la limite, montrez que \(\Gamma(x+1) = x\,\Gamma(x)\). (1,5 point)
- Calculez \(\Gamma(1)\) et déduisez-en que \(\Gamma(n+1) = n!\) pour tout entier \(n \geq\, 0\). (1 point)
Exercice 4 : Problème, l’intégrale semi-convergente de sin(t)/t (7 points)
La fonction \(f : t \mapsto \dfrac{\sin t}{t}\) est définie et continue sur \(]0, +\infty[\). Sa courbe est représentée ci-dessous.
- Montrez que \(f\) se prolonge par continuité en 0. Que dire alors de \(\displaystyle\int_{0}^{1} f(t)\,\mathrm{d}t\) ? (1 point)
- À l’aide d’une intégration par parties sur \([1, A]\), montrez que \(\displaystyle\int_{1}^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\,\mathrm{d}t\) converge. Concluez sur la convergence de \(\displaystyle\int_{0}^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\,\mathrm{d}t\). (1,5 point)
- Montrez que, pour tout entier \(k \geq\, 0\), \(\displaystyle\int_{k\pi}^{(k+1)\pi} \frac{|\sin t|}{t}\,\mathrm{d}t \geq\, \frac{2}{(k+1)\pi}\). Déduisez-en que \(f\) n’est pas intégrable sur \(]0, +\infty[\). (1,5 point)
- Par une intégration par parties sur \([\varepsilon, A]\) justifiée par un passage à la limite, montrez que
\[\int_{0}^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\,\mathrm{d}t = \int_{0}^{+\infty} \frac{1 – \cos t}{t^2}\,\mathrm{d}t,\]
en vérifiant que la seconde intégrale est absolument convergente. (1,5 point) - À l’aide de la formule \(1 – \cos t = 2\sin^2(\frac{t}{2})\) et d’un changement de variable, déduisez-en que \(\displaystyle\int_{0}^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\,\mathrm{d}t = \int_{0}^{+\infty} \frac{\sin^2 u}{u^2}\,\mathrm{d}u\). (1,5 point)
Réviser avant le contrôle : intégrales généralisées et intégrabilité
Avant de faire ce contrôle, relisez le cours « Intégrales généralisées » en L2 puis entraînez-vous avec les exercices corrigés intégrales généralisées.
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