Cas des fonctions positives

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

ThéorèmeB

Soit \(f\) une fonction localement intégrable sur l'intervalle \([a,+\infty[\) à valeurs dans \(\mathbb R_+\). L'intégrale \(\int_a^{+\infty}f(t)dt\) est convergente si et seulement s'il existe une suite \((x_n)\) croissante et tendant vers \(+\infty\), telle que la série \(\sum\left(\int_{x_n}^{x_{n+1}}f(t)dt\right)\)soit convergente.

Preuve

Seule la partie concernant la condition suffisante est à démontrer.

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 \(F:x\mapsto F(x)=\int_\alpha^xf(t)dt\).

On pose \(v_n=\int_{x_n}^{x_{n+1}}d(t)dt\) et \(t_n=\displaystyle{\sum_{k=0}^n}v_k\). La convergence de la série entraîne l'existence d'un majorant \(M\) pour la suite \((t_n)\). On a donc, pour tout entier \(n\) : \(|t_n|\leq M\).

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

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

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

Seule la partie concernant la condition suffisante est à démontrer.

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 \(F:x\mapsto\int_a^xf(t)dt\).