Cas des fonctions positives

Encore une fois, les fonctions positives montrent leur bonne volonté ! Il suffit, pour assurer la convergence de l'intégrale \(\displaystyle{\int_a^{+\infty}f(t)dt}\), de la convergence de la série\( \displaystyle{\sum\left(\int_{x_n}^{x_{n+1}}f(t)dt\right)}\) pour une suite\( (x_n)\) qui tend vers \(+\infty\).

ThéorèmeThéorème B

Soit \(f\) une fonction positive définie sur \([a,+\infty[\). L'intégrale \(\displaystyle{\int_a^{+\infty}f(t)dt}\) est convergente si et seulement s'il existe une suite \((x_n)\) croissante et tendant vers\( +\infty\), telle que la série \(\displaystyle{\sum\left(\int_{x_n}^{x_{n+}}f(t)dt\right)}\) soit convergente.

Preuve

Seule la partie concernant la condition suffisante est à démontrer.

Démonstration

Idée de la démonstration : elle repose sur les équivalences suivantes

  • d'une part entre la convergence de la série et la majoration des sommes partielles,

  • d'autre part entre la convergence de l'intégrale et la majoration de la fonction \(\displaystyle{\mathcal F :x\mapsto\int_a^xf(t)dt}\).

ComplémentDétail de la démonstration

On pose \(\displaystyle{v_n=\int_{x_n}^{x_{n+}}f(t)dt}\) et\( \displaystyle{t_n=\sum_{k=0}^{n}v_k}\). La convergence de la série de terme général \(v_n\) entraîne l'existence d'un majorant\( \mathcal M\) pour la suite \((t_n)\). On a donc, pour tout entier \(n :\vert t_n\vert\leq\mathcal M\).

Soit \(x > a\). Il existe \(n\) tel que \(x_n> x\). On a alors :

\(\displaystyle{\int_a^xf(t)dt=\mathcal F(x)\leq\int_a^{x_0}f(t)dt+\int_{x_0}^{x_n}f(t)dt\leq\mathcal M+\int_a^{x_0}f(t)dt\leq\mathcal M+\mathcal M'}\)

, où \(\mathcal M'\) est une constante. L'intégrale \(\displaystyle{\int_a^{+\infty}f(t)dt}\) est donc convergente.