%% nav-debut : généré par gen_navigation.py, ne pas modifier à la main %%
> [!nav]
> ↩ [[Analyse et Données/Mathématiques/Intégrales impropres/Intégrales impropres|Accueil · Intégrales impropres]]
>
> | [[Analyse et Données/Mathématiques/Intégrales impropres/Cours 1 - Intégrales impropres\|← Cours 1 - Intégrales impropres]] | |
> |:---|---:|
%% nav-fin %%
# Exercices
## Exercice 1 : Intégrales impropres de première espèce
Étudier la convergence puis calculer, lorsqu'elle existe, les intégrales :
1.
$\int_1^{+\infty}\frac{1}{x^2} dx$
2. $\int_1^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx$
3.
$\int_1^{+\infty} \frac{\ln(x)}{x^2}\,dx.$
**Indication :** Pour $x$ suffisamment grand, $\ln(x)\leq x^a\, \forall a>0$.
4. $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^2+1}\,dx$
5. $\int_0^{+\infty} e^{-2x}\,dx$
6. $ \int_0^{+\infty} \frac{x}{(1+x^2)^2} dx $
7. $ \int_1^{+\infty} \frac{1}{x(x+1)} dx $
## Exercice 2 : Critère de comparaison
Étudier la convergence de l'intégrale :
$\int_1^{+\infty} \frac{\sin^2(x)}{x^3}\,dx$
Indication : utiliser l'encadrement $0\leq \sin^2(x)\leq 1$.
## Exercice 3 : Intégrales impropres de deuxième espèce
Étudier la nature des intégrales suivantes puis calculer leurs valeurs, si elles convergent :
1. $\int_0^1 \frac{1}{\sqrt[3]{x}}\,dx$
2. $\int_0^1 \frac{1-\cos(x)}{\sqrt{x}}\,dx$
Indication : utiliser l'équivalent $1-\cos(x)\sim \frac{x^2}{2} \qquad (x\to0)$.
## Exercice 4 : Intégrale impropre de troisième espèce
Étudier la convergence des intégrales suivantes :
1. $\int_0^{+\infty} \frac{1}{x^{2/3}(1+x^2)} \,dx.$
2. $\int_0^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{x}(1+x^3)} \,dx$
Indications :
- étudier le comportement au voisinage de $0$,
- étudier le comportement lorsque $x\to +\infty$.
# Corrigés Détaillés
## Correction de l'Exercice 1
1.
$\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^2} \, dx$
**Étude de la convergence :**
Il s'agit d'une intégrale de Riemann de la forme $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^\alpha} dx$.
Ici, $\alpha = 2$. Comme $2 > 1$, le cours nous dit que l'intégrale converge.
**Calcul de la valeur :**
Calculons la limite de l'intégrale sur un intervalle fini $[1, b]$ :
$ \lim_{b \to +\infty} \int_1^b x^{-2} \, dx = \lim_{b \to +\infty} \left[ -\frac{1}{x} \right]_1^b $
$ = \lim_{b \to +\infty} \left( -\frac{1}{b} - \left(-\frac{1}{1}\right) \right) = \lim_{b \to +\infty} \left( 1 - \frac{1}{b} \right) $
Puisque $\lim_{b \to +\infty} \frac{1}{b} = 0$, la valeur est $1$.
L'intégrale converge vers **1**.
2.
$\int_1^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{x}} \, dx$
**Étude de la convergence :**
C'est une intégrale de Riemann avec $\alpha = \frac{1}{2}$.
Comme $\alpha \leq 1$, l'intégrale diverge vers $+\infty$.
**Justification par le calcul :**
$ \lim_{b \to +\infty} \int_1^b x^{-1/2} \, dx = \lim_{b \to +\infty} [2\sqrt{x}]_1^b = \lim_{b \to +\infty} (2\sqrt{b} - 2) = +\infty $
L'intégrale est **divergente**.
3.
$\int_1^{+\infty} \frac{\ln(x)}{x^2} \, dx$
**Étude de la convergence :**
Pour $x$ grand, on nous donne l'indication $\ln(x) \leq x$. Cependant, pour être plus précis, on sait que $\ln(x)$ croît beaucoup moins vite que n'importe quelle puissance positive de $x$.
On peut dire que $\frac{\ln(x)}{x^2} \leq \frac{x^{0,5}}{x^2} = \frac{1}{x^{1,5}}$ pour $x$ assez grand.
Comme $1,5 > 1$, l'intégrale converge par comparaison.
**Calcul de la valeur (par Intégration Par Parties) :**
Posons $u = \ln(x) \implies du = \frac{1}{x} dx$ et $dv = \frac{1}{x^2} dx \implies v = -\frac{1}{x}$.
$ \int \frac{\ln(x)}{x^2} dx = \left[ -\frac{\ln(x)}{x} \right] - \int -\frac{1}{x} \cdot \frac{1}{x} dx = -\frac{\ln(x)}{x} + \int \frac{1}{x^2} dx = -\frac{\ln(x)}{x} - \frac{1}{x} $
Calculons la limite :
$ \lim_{b \to +\infty} \left[ -\frac{\ln(x)+1}{x} \right]_1^b = \lim_{b \to +\infty} \left( -\frac{\ln(b)+1}{b} - (-1) \right) $
Par croissance comparée, $\lim_{b \to +\infty} \frac{\ln(b)}{b} = 0$. Il reste donc $0 + 1 = 1$.
L'intégrale converge vers **1**.
4.
$\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^2+1} \, dx$
**Étude de la convergence :**
Au voisinage de $+\infty$, $\frac{1}{x^2+1} \sim \frac{1}{x^2}$. Comme $2 > 1$, l'intégrale converge.
**Calcul de la valeur :**
La primitive de $\frac{1}{x^2+1}$ est $\arctan(x)$.
$ \lim_{b \to +\infty} [\arctan(x)]_1^b = \lim_{b \to +\infty} (\arctan(b) - \arctan(1)) $
On sait que $\lim_{b \to +\infty} \arctan(b) = \frac{\pi}{2}$ et $\arctan(1) = \frac{\pi}{4}$.
La valeur est $\frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{4}$.
5.
$\int_0^{+\infty} e^{-2x} \, dx$
**Étude de la convergence :**
C'est une intégrale d'une fonction exponentielle décroissante, elle converge car l'exposant est négatif ($-2 < 0$).
**Calcul de la valeur :**
$ \lim_{b \to +\infty} \int_0^b e^{-2x} \, dx = \lim_{b \to +\infty} \left[ -\frac{1}{2}e^{-2x} \right]_0^b = \lim_{b \to +\infty} \left( -\frac{1}{2}e^{-2b} - (-\frac{1}{2}) \right) $
Comme $\lim_{b \to +\infty} e^{-2b} = 0$, il reste $\frac{1}{2}$.
La valeur est **1/2**.
6.
$ \int_0^{+\infty} \frac{x}{(1+x^2)^2} dx $
**Étude de la convergence :**
La fonction $f(x) = \frac{x}{(1+x^2)^2}$ est continue et positive sur $[0, +\infty[$.
Pour $x \to +\infty$, le numérateur est $x$ et le dénominateur est de l'ordre de $(x^2)^2 = x^4$.
Donc $f(x) \sim \frac{x}{x^4} = \frac{1}{x^3}$ quand $x \to +\infty$.
L'intégrale de Riemann $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^3} dx$ converge car $3 > 1$.
Par le critère d'équivalence, $\int_0^{+\infty} \frac{x}{(1+x^2)^2} dx$ converge.
**Calcul de la valeur :**
Nous allons utiliser un changement de variable.
Posons $u = 1+x^2$.
Alors $du = 2x dx$, ce qui signifie $x dx = \frac{1}{2} du$.
Changeons les bornes :
- Si $x=0$, $u = 1+0^2 = 1$.
- Si $x \to +\infty$, $u \to 1+(+\infty)^2 = +\infty$.
L'intégrale devient :
$ \int_1^{+\infty} \frac{1}{u^2} \frac{1}{2} du = \frac{1}{2} \int_1^{+\infty} u^{-2} du $
Calculons cette intégrale impropre :
$ \frac{1}{2} \lim_{b \to +\infty} \int_1^b u^{-2} du = \frac{1}{2} \lim_{b \to +\infty} \left[ \frac{u^{-1}}{-1} \right]_1^b $
$ = \frac{1}{2} \lim_{b \to +\infty} \left[ -\frac{1}{u} \right]_1^b $
$ = \frac{1}{2} \lim_{b \to +\infty} \left( -\frac{1}{b} - \left(-\frac{1}{1}\right) \right) $
$ = \frac{1}{2} \lim_{b \to +\infty} \left( 1 - \frac{1}{b} \right) $
Puisque $\lim_{b \to +\infty} \frac{1}{b} = 0$, nous obtenons :
$ = \frac{1}{2} (1 - 0) = \frac{1}{2} $
L'intégrale impropre converge et sa valeur est $\frac{1}{2}$.
7.
$ \int_1^{+\infty} \frac{1}{x(x+1)} dx $
**Étude de la convergence :**
La fonction $f(x) = \frac{1}{x(x+1)}$ est continue et positive sur $[1, +\infty[$.
Pour $x \to +\infty$, nous avons $x(x+1) \sim x^2$.
Donc $f(x) \sim \frac{1}{x^2}$ quand $x \to +\infty$.
Puisque $\alpha = 2 > 1$, l'intégrale $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^2} dx$ converge.
Par le critère d'équivalence pour les fonctions positives, $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x(x+1)} dx$ converge également.
**Calcul de la valeur (si elle converge) :**
Nous devons d'abord trouver une primitive de $f(x) = \frac{1}{x(x+1)}$. Utilisons la décomposition en éléments simples :
$ \frac{1}{x(x+1)} = \frac{A}{x} + \frac{B}{x+1} $
En multipliant par $x$ et en posant $x=0$, on trouve $A=1$.
En multipliant par $x+1$ et en posant $x=-1$, on trouve $B=-1$.
Donc :
$ \frac{1}{x(x+1)} = \frac{1}{x} - \frac{1}{x+1} $
Calculons la primitive :
$ \int \left( \frac{1}{x} - \frac{1}{x+1} \right) dx = \ln|x| - \ln|x+1| + C = \ln\left|\frac{x}{x+1}\right| + C $
Maintenant, évaluons l'intégrale impropre :
$ \int_1^{+\infty} \frac{1}{x(x+1)} dx = \lim_{b \to +\infty} \int_1^b \left( \frac{1}{x} - \frac{1}{x+1} \right) dx $
$ = \lim_{b \to +\infty} \left[ \ln\left(\frac{x}{x+1}\right) \right]_1^b $
$ = \lim_{b \to +\infty} \left( \ln\left(\frac{b}{b+1}\right) - \ln\left(\frac{1}{1+1}\right) \right) $
Pour la limite :
$ \lim_{b \to +\infty} \frac{b}{b+1} = \lim_{b \to +\infty} \frac{1}{1+1/b} = 1 $
Donc, $\lim_{b \to +\infty} \ln\left(\frac{b}{b+1}\right) = \ln(1) = 0$.
$ = 0 - \ln\left(\frac{1}{2}\right) $
$ = -\ln(1) + \ln(2) = \ln(2) $
L'intégrale converge et sa valeur est $\ln(2)$.
## Correction de l'Exercice 2
$ \int_1^{+\infty} \frac{\sin^2(x)}{x^3} \, dx $
**Étude de la convergence :**
La fonction $f(x) = \frac{\sin^2(x)}{x^3}$ est continue et positive sur $[1, +\infty[$.
On utilise l'encadrement $0 \leq \sin^2(x) \leq 1$.
On en déduit que pour tout $x \geq 1$ :
$ 0 \leq \frac{\sin^2(x)}{x^3} \leq \frac{1}{x^3} $
L'intégrale $\int_1^{+\infty} \frac{1}{x^3} dx$ est une intégrale de Riemann convergente car $\alpha = 3 > 1$.
Par le théorème de comparaison pour les fonctions positives, l'intégrale $\int_1^{+\infty} \frac{\sin^2(x)}{x^3} dx$ **converge**.
---
## Correction de l'Exercice 3 :
1.
$\int_0^1 \frac{1}{\sqrt[3]{x}} \, dx$
**Étude de la convergence :**
C'est une intégrale de Riemann de deuxième espèce (problème en 0) de la forme $\int_0^1 \frac{1}{x^\alpha} dx$.
Ici $\alpha = \frac{1}{3}$. Pour les intégrales en 0, il y a convergence si $\alpha < 1$.
Comme $1/3 < 1$, l'intégrale converge.
**Calcul de la valeur :**
$ \lim_{a \to 0^+} \int_a^1 x^{-1/3} dx = \lim_{a \to 0^+} \left[ \frac{3}{2}x^{2/3} \right] _a^1 = \lim_{a \to 0^+} \left( \frac{3}{2}(1)^{2/3} - \frac{3}{2}a^{2/3} \right) = \frac{3}{2} - 0 = \frac{3}{2} $
La valeur est **1,5**.
2.
$\int_0^1 \frac{1-\cos(x)}{\sqrt{x}} \, dx$
**Étude de la convergence :**
La fonction $f(x) = \frac{1-\cos(x)}{\sqrt{x}}$ est continue sur $]0, 1]$. Étudions le problème en 0.
En utilisant l'indication (développement limité), on sait que $1-\cos(x) \sim \frac{x^2}{2}$ quand $x \to 0$.
Donc :
$ f(x) \sim \frac{x^2/2}{\sqrt{x}} = \frac{1}{2} x^{2 - 0,5} = \frac{1}{2} x^{1,5} $
Quand $x \to 0$, $f(x)$ tend vers 0. La fonction est donc prolongeable par continuité en 0.
Toute fonction continue sur un segment $[0, 1]$ est intégrable.
L'intégrale est **convergente**.
---
## Correction de l'Exercice 4
1.
$\int_0^{+\infty} \frac{1}{x^{2/3}(1+x^2)} \, dx$
**Étude de la convergence :**
On doit séparer l'intégrale en deux parties, par exemple sur $]0, 1]$ et $[1, +\infty[$.
- **En 0 :** $f(x) = \frac{1}{x^{2/3}(1+x^2)} \sim \frac{1}{x^{2/3}}$. C'est une intégrale de Riemann convergente ($\alpha = 2/3 < 1$).
- **En $+\infty$ :** $f(x) \sim \frac{1}{x^{2/3} \cdot x^2} = \frac{1}{x^{8/3}}$. C'est une intégrale de Riemann convergente ($\alpha = 8/3 > 1$).
Comme les deux bornes convergent, l'intégrale sur $]0, +\infty[$ **converge**.
2.
$\int_0^{+\infty} \frac{1}{\sqrt{x}(1+x^3)} \, dx$
**Étude de la convergence :**
- **En 0 :** $f(x) \sim \frac{1}{\sqrt{x}} = \frac{1}{x^{1/2}}$. Converge car $\alpha = 1/2 < 1$ (Riemann en 0).
- **En $+\infty$ :** $f(x) \sim \frac{1}{x^{1/2} \cdot x^3} = \frac{1}{x^{3,5}}$. Converge car $\alpha = 3,5 > 1$ (Riemann à l'infini).
L'intégrale est donc **convergente**.
# 🗓️ Historique
- Dernière MAJ: `21-juillet-2026`
- Rédigé par: [[Antonia JABBOUR]]
%% nav-debut : généré par gen_navigation.py, ne pas modifier à la main %%
> [!nav]
> ↩ [[Analyse et Données/Mathématiques/Intégrales impropres/Intégrales impropres|Accueil · Intégrales impropres]]
>
> | [[Analyse et Données/Mathématiques/Intégrales impropres/Cours 1 - Intégrales impropres\|← Cours 1 - Intégrales impropres]] | |
> |:---|---:|
%% nav-fin %%