Intégrale impropre sur un intervalle ouvert

On considère une fonction\( f\) localement intégrable sur un intervalle ouvert \(]\omega_1,\omega_2[\) avec \(\omega_1\in\mathbb R\) ou \(\omega_1=-\infty\) , et : \(\omega_2\in\mathbb R\) ou \(\omega_2=+\infty\) .

Définition

Soit \(c\) un point quelconque de l'intervalle \(]\omega_1,\omega_2[\). On dit que l'intégrale \(\displaystyle{\int_{\omega_1}^{\omega_2}f(t)dt}\) est convergente (ou existe) si chacune des intégrales \(\displaystyle{\int_{\omega_1}^{c}f(t)dt}\) et\( \displaystyle{\int_{c}^{\omega_2}f(t)dt}\) est convergente.

On pose alors :

\(\displaystyle{\int_{\omega_1}^{\omega_2}f(t)dt=\int_{\omega_1}^{c}f(t)dt+\int_{c}^{\omega_2}f(t)dt}\).

Remarque

  1. Cette définition ne dépend pas du choix du point \(c\) car, si \(d\) est un autre point de \(]\omega_1,\omega_2[\), l'intégrale \(\displaystyle{\int_{c}^{d}f(t)dt}\) est une constante, et la relation de Chasles montre également que la valeur de l'intégrale est indépendante du choix de \(c\).

  2. On doit insister sur la nécessité de la convergence des deux intégrales \(\displaystyle{\int_{\omega_1}^{c}f(t)dt}\) et \(\displaystyle{\int_{c}^{\omega_2}f(t)dt}\). Par exemple, pour une fonction impaire localement intégrable sur \(]-\infty,+\infty[\), on a pour tout \(x\) réel \(\displaystyle{\int_{-x}^{x}f(t)dt=0}\) . Or les deux intégrales ne sont pas nécessairement convergentes.

Exemple

Cas de l'intégrale \(\displaystyle{\int_{-\infty}^{+\infty}tdt}\) qui est divergente

En effet, on a \(\displaystyle{\int_{-x}^{x}tdt=\frac{1}{2}(x^2-x^2)=0}\). Cependant, les intégrales \(\displaystyle{\int_{-x}^{0}tdt}\) et \(\displaystyle{\int_{0}^{x}tdt}\) sont divergentes. Donc l'intégrale \(\displaystyle{\int_{-\infty}^{+\infty}tdt}\) est divergente.

Exemple

En revanche, l'intégrale de la fonction impaire \(\displaystyle{x\mapsto\frac{x}{(x^2+1)^{3/2}}}\) sur \(]-\infty,+\infty[\)est convergente.

En effet \(\displaystyle{\int_{0}^{x}\frac{t}{(t^2+1)^{3/2}}dt=\left[-\frac{1}{(t^2+1)^{1/2}}\right]_0^x=1-\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}}\),

d'où \(\displaystyle{\lim_{x\to+\infty}\int_0^x\frac{t}{(t^2+1)^{3/2}}dt=1}\).

Les deux intégrales \(\displaystyle{\int_{0}^{+\infty}\frac{t}{(t^2+1)^{3/2}}dt}\) et \(\displaystyle{\int_{-\infty}^{0}\frac{t}{(t^2+1)^{3/2}}dt}\) sont convergentes et valent respectivement \(1\) et \(–1\).

L'intégrale \(\displaystyle{\int_{-\infty}^{-\infty}\frac{t}{(t^2+1)^{3/2}}dt}\) est donc convergente et vaut bien entendu \(0\).