En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, «
Exercice : ComparaisonIntégration en mathématiques/Exercices/Comparaison », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Soit
f
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f:[a,b]\to \mathbb {R} }
une fonction continue. Prouver que si :
|
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
|
=
∫
a
b
|
f
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)\,\mathrm {d} x\right|=\int _{a}^{b}|f(x)|\,\mathrm {d} x}
alors la fonction
f
{\displaystyle f}
est de signe constant.
Soient
f
,
g
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f,g:[a,b]\to \mathbb {R} }
deux fonctions continues (
a
≤
b
{\displaystyle a\leq b}
). Démontrer que si
g
{\displaystyle g}
est positive et si
|
f
|
{\displaystyle |f|}
est majorée par une constante
A
{\displaystyle A}
, alors :
|
∫
a
b
f
(
x
)
g
(
x
)
d
x
|
⩽
A
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)g(x)\,\mathrm {d} x\right|\leqslant A\int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x}
.
Solution
−
A
g
≤
f
g
≤
A
g
⇒
−
A
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
≤
∫
a
b
f
(
x
)
g
(
x
)
d
x
≤
A
∫
a
b
g
(
x
)
d
x
{\displaystyle -Ag\leq fg\leq Ag\Rightarrow -A\int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x\leq \int _{a}^{b}f(x)g(x)\,\mathrm {d} x\leq A\int _{a}^{b}g(x)\,\mathrm {d} x}
.
Soient
f
{\displaystyle f}
une fonction continue positive sur
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
avec
0
<
a
<
b
{\displaystyle 0<a<b}
et
F
{\displaystyle F}
une primitive de
f
{\displaystyle f}
. Prouver que
F
(
b
)
−
F
(
a
)
2
b
⩽
∫
a
b
f
(
t
2
)
d
t
⩽
F
(
b
)
−
F
(
a
)
2
a
{\displaystyle {\frac {F(b)-F(a)}{2{\sqrt {b}}}}\leqslant \int _{\sqrt {a}}^{\sqrt {b}}f(t^{2})\,\mathrm {d} t\leqslant {\frac {F(b)-F(a)}{2{\sqrt {a}}}}}
.
Solution
Par changement de variable,
∫
a
b
f
(
t
2
)
d
t
=
∫
a
b
f
(
s
)
2
s
d
s
{\displaystyle \int _{\sqrt {a}}^{\sqrt {b}}f(t^{2})\,\mathrm {d} t=\int _{a}^{b}{\frac {f(s)}{2{\sqrt {s}}}}\,\mathrm {d} s}
.
Par positivité de
f
{\displaystyle f}
et décroissance de
s
↦
1
s
{\displaystyle s\mapsto {\frac {1}{\sqrt {s}}}}
,
∫
a
b
f
(
s
)
2
b
d
s
≤
∫
a
b
f
(
s
)
2
s
d
s
≤
∫
a
b
f
(
s
)
2
a
d
s
{\displaystyle \int _{a}^{b}{\frac {f(s)}{2{\sqrt {b}}}}\,\mathrm {d} s\leq \int _{a}^{b}{\frac {f(s)}{2{\sqrt {s}}}}\,\mathrm {d} s\leq \int _{a}^{b}{\frac {f(s)}{2{\sqrt {a}}}}\,\mathrm {d} s}
c'est-à-dire
F
(
b
)
−
F
(
a
)
2
b
≤
∫
a
b
f
(
s
)
2
s
d
s
≤
F
(
b
)
−
F
(
a
)
2
a
{\displaystyle {\frac {F(b)-F(a)}{2{\sqrt {b}}}}\leq \int _{a}^{b}{\frac {f(s)}{2{\sqrt {s}}}}\,\mathrm {d} s\leq {\frac {F(b)-F(a)}{2{\sqrt {a}}}}}
.
Trouver un encadrement de chacune des intégrales suivantes :
∫
0
1
2
d
t
(
3
+
2
cos
t
)
2
{\displaystyle \int _{0}^{\frac {1}{2}}{\frac {\mathrm {d} t}{(3+2\cos t)^{2}}}}
;
∫
0
1
2
d
t
1
−
t
5
{\displaystyle \int _{0}^{\frac {1}{2}}{\frac {\mathrm {d} t}{\sqrt {1-t^{5}}}}}
.
Soit
α
>
0
{\displaystyle \alpha >0}
.
Prouver que pour
x
∈
[
0
,
1
]
{\displaystyle x\in [0,1]}
:
1
−
x
α
≤
1
−
x
α
≤
1
−
x
α
2
{\displaystyle 1-x^{\alpha }\leq {\sqrt {1-x^{\alpha }}}\leq 1-{\frac {x^{\alpha }}{2}}}
.
En déduire que :
α
α
+
1
<
∫
0
1
1
−
x
α
d
x
<
α
+
1
2
α
+
1
{\displaystyle {\frac {\alpha }{\alpha +1}}<\int _{0}^{1}{\sqrt {1-x^{\alpha }}}\,\mathrm {d} x<{\frac {\alpha +{\frac {1}{2}}}{\alpha +1}}}
.
Solution
y
:=
x
α
∈
[
0
,
1
]
{\displaystyle y:=x^{\alpha }\in [0,1]}
donc
z
:=
1
−
y
∈
[
0
,
1
]
{\displaystyle z:=1-y\in [0,1]}
donc
z
≤
z
{\displaystyle z\leq {\sqrt {z}}}
. De plus,
1
−
y
≤
1
−
y
/
2
{\displaystyle {\sqrt {1-y}}\leq 1-y/2}
car
(
1
−
y
/
2
)
2
=
1
−
y
+
y
2
/
4
≥
1
−
y
{\displaystyle (1-y/2)^{2}=1-y+y^{2}/4\geq 1-y}
.
∫
0
1
(
1
−
x
α
)
d
x
=
1
−
1
α
+
1
=
α
α
+
1
{\displaystyle \int _{0}^{1}(1-x^{\alpha })\,\mathrm {d} x=1-{\frac {1}{\alpha +1}}={\frac {\alpha }{\alpha +1}}}
et
∫
0
1
(
1
−
x
α
2
)
d
x
=
1
−
1
/
2
α
+
1
=
α
+
1
2
α
+
1
{\displaystyle \int _{0}^{1}\left(1-{\frac {x^{\alpha }}{2}}\right)\,\mathrm {d} x=1-{\frac {1/2}{\alpha +1}}={\frac {\alpha +{\frac {1}{2}}}{\alpha +1}}}
. De plus, ce minorant et ce majorant de
∫
0
1
1
−
x
α
d
x
{\displaystyle \int _{0}^{1}{\sqrt {1-x^{\alpha }}}\,\mathrm {d} x}
sont stricts car dans la question 1, les inégalités entre ces fonctions continues sont strictes sur
]
0
,
1
[
{\displaystyle ]0,1[}
.
Soit
f
:
[
0
,
1
]
→
R
{\displaystyle f:[0,1]\to \mathbb {R} }
une fonction continue telle que, pour tout
x
{\displaystyle x}
de
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]}
:
∫
x
1
f
(
t
)
d
t
≥
1
−
x
2
2
{\displaystyle \int _{x}^{1}f(t)\,\mathrm {d} t\geq {\frac {1-x^{2}}{2}}}
.
Soit
F
{\displaystyle F}
une primitive de
f
{\displaystyle f}
.
Prouver que :
F
(
1
)
=
∫
0
1
x
f
(
x
)
d
x
+
∫
0
1
F
(
x
)
d
x
{\displaystyle F(1)=\int _{0}^{1}xf(x)\,\mathrm {d} x+\int _{0}^{1}F(x)\,\mathrm {d} x}
.
En déduire que :
∫
0
1
x
f
(
x
)
d
x
≥
1
3
{\displaystyle \int _{0}^{1}xf(x)\,\mathrm {d} x\geq {\frac {1}{3}}}
.
En déduire que :
∫
0
1
[
f
(
x
)
]
2
d
x
≥
1
3
{\displaystyle \int _{0}^{1}[f(x)]^{2}\,\mathrm {d} x\geq {\frac {1}{3}}}
.
Solution
x
f
+
F
=
(
x
F
)
′
{\displaystyle xf+F=(xF)'}
donc
∫
0
1
x
f
(
x
)
d
x
+
∫
0
1
F
(
x
)
d
x
=
[
x
F
]
0
1
=
F
(
1
)
{\displaystyle \int _{0}^{1}xf(x)\,\mathrm {d} x+\int _{0}^{1}F(x)\,\mathrm {d} x=[xF]_{0}^{1}=F(1)}
.
F
(
1
)
−
∫
0
1
F
(
x
)
d
x
=
∫
0
1
(
F
(
1
)
−
F
(
x
)
)
d
x
≥
∫
0
1
1
−
x
2
2
d
x
=
1
−
1
/
3
2
=
1
3
{\displaystyle F(1)-\int _{0}^{1}F(x)\,\mathrm {d} x=\int _{0}^{1}\left(F(1)-F(x)\right)\,\mathrm {d} x\geq \int _{0}^{1}{\frac {1-x^{2}}{2}}\,\mathrm {d} x={\frac {1-1/3}{2}}={\frac {1}{3}}}
.
Par Cauchy-Schwarz,
1
3
2
≤
(
∫
0
1
x
f
(
x
)
d
x
)
2
≤
∫
0
1
x
2
d
x
∫
0
1
[
f
(
x
)
]
2
d
x
=
1
3
∫
0
1
[
f
(
x
)
]
2
d
x
{\displaystyle {\frac {1}{3^{2}}}\leq \left(\int _{0}^{1}xf(x)\,\mathrm {d} x\right)^{2}\leq \int _{0}^{1}x^{2}\,\mathrm {d} x\int _{0}^{1}[f(x)]^{2}\,\mathrm {d} x={\frac {1}{3}}\int _{0}^{1}[f(x)]^{2}\,\mathrm {d} x}
.
Démontrer que pour tout entier naturel
n
{\displaystyle n}
:
1
2
(
n
+
1
)
≤
∫
0
1
x
n
1
+
x
2
d
x
≤
1
n
+
1
{\displaystyle {\frac {1}{2(n+1)}}\leq \int _{0}^{1}{\frac {x^{n}}{1+x^{2}}}\,\mathrm {d} x\leq {\frac {1}{n+1}}}
.
Solution
∀
x
∈
[
0
,
1
]
1
≤
1
+
x
2
≤
2
{\displaystyle \forall x\in [0,1]\quad 1\leq 1+x^{2}\leq 2}
.
∫
0
1
x
n
d
x
=
1
n
+
1
{\displaystyle \int _{0}^{1}x^{n}\,\mathrm {d} x={\frac {1}{n+1}}}
.
Étudier les variations de la fonction
f
{\displaystyle f}
définie par :
f
(
x
)
=
e
x
2
−
(
e
−
1
)
x
2
−
1
{\displaystyle f(x)=\mathrm {e} ^{x^{2}}-(\mathrm {e} -1)x^{2}-1}
.
Prouver que :
4
3
<
∫
0
1
e
x
2
d
x
<
e
+
2
3
{\displaystyle {\frac {4}{3}}<\int _{0}^{1}\mathrm {e} ^{x^{2}}\,\mathrm {d} x<{\frac {\mathrm {e} +2}{3}}}
.
Solution
f
{\displaystyle f}
est paire donc il suffit de l'étudier sur
R
+
{\displaystyle \mathbb {R} _{+}}
.
f
′
(
x
)
=
2
x
(
e
x
2
−
e
+
1
)
{\displaystyle f'(x)=2x(\mathrm {e} ^{x^{2}}-\mathrm {e} +1)}
s'annule en
a
:=
ln
(
e
−
1
)
{\displaystyle a:={\sqrt {\ln(\mathrm {e} -1)}}}
.
f
{\displaystyle f}
est (strictement) décroissante sur
[
0
,
a
]
{\displaystyle [0,a]}
et croissante sur
[
a
,
+
∞
[
{\displaystyle [a,+\infty [}
. Elle s'annule en
0
{\displaystyle 0}
et en
1
{\displaystyle 1}
(qui est donc
>
a
{\displaystyle >a}
, ce qui était prévisible puisque
ln
(
e
−
1
)
<
ln
e
{\displaystyle \ln(\mathrm {e} -1)<\ln \mathrm {e} }
).
f
(
a
)
=
e
a
2
−
(
e
−
1
)
a
2
−
1
=
(
e
−
1
)
(
1
−
ln
(
e
−
1
)
)
−
1
=
e
−
2
−
(
e
−
1
)
ln
(
e
−
1
)
{\displaystyle f(a)=\mathrm {e} ^{a^{2}}-(\mathrm {e} -1)a^{2}-1=(\mathrm {e} -1)\left(1-\ln(\mathrm {e} -1)\right)-1=\mathrm {e} -2-(\mathrm {e} -1)\ln(\mathrm {e} -1)}
.
lim
+
∞
f
=
+
∞
{\displaystyle \lim _{+\infty }f=+\infty }
.
∀
x
∈
]
0
,
1
[
f
(
x
)
<
0
{\displaystyle \forall x\in ]0,1[\quad f(x)<0}
donc
∫
0
1
e
x
2
d
x
<
∫
0
1
(
(
e
−
1
)
x
2
+
1
)
d
x
=
e
−
1
3
+
1
=
e
+
2
3
{\displaystyle \int _{0}^{1}\mathrm {e} ^{x^{2}}\,\mathrm {d} x<\int _{0}^{1}\left((\mathrm {e} -1)x^{2}+1\right)\,\mathrm {d} x={\frac {\mathrm {e} -1}{3}}+1={\frac {\mathrm {e} +2}{3}}}
.
∀
x
∈
[
0
,
1
]
f
(
x
)
≥
f
(
a
)
{\displaystyle \forall x\in [0,1]\quad f(x)\geq f(a)}
donc
∫
0
1
e
x
2
d
x
≥
e
+
2
3
+
f
(
a
)
=
(
e
−
1
)
(
4
3
−
ln
(
e
−
1
)
)
≃
1
,
36
>
4
3
{\displaystyle \int _{0}^{1}\mathrm {e} ^{x^{2}}\,\mathrm {d} x\geq {\frac {\mathrm {e} +2}{3}}+f(a)=(\mathrm {e} -1)\left({\frac {4}{3}}-\ln(\mathrm {e} -1)\right)\simeq 1{,}36>{\frac {4}{3}}}
.
Démontrer que :
1
,
13
<
∫
0
π
4
4
−
cos
2
t
3
d
t
<
1
,
20
{\displaystyle 1{,}13<\int _{0}^{\frac {\pi }{4}}{\sqrt[{3}]{4-\cos ^{2}t}}\,\mathrm {d} t<1{,}20}
.