Exercice 2
Partie
Question
Étudier, sans utiliser le lemme d'Abel, la nature de l'intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt,~~(m\in\mathbb R)}\).
Aide simple
Etudier séparément deux intégrales pour voir ce qui se passe aux deux bornes.
Aide détaillée
On étudie séparément les intégrales \(\displaystyle{J=\int_{0}^{1}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) et \(K=\displaystyle{\int_{1}^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) pour voir ce qui se passe aux deux bornes.
On peut remplacer la borne commune \(1\) par un autre point de l'intervalle \(]0,+\infty[\).
Pour \(J\) :
la fonction garde un signe constant sur l'intervalle d'intégration et, quand x tend vers 0 on a \(\displaystyle{\frac{\sin x}{x^m}\sim\frac{1}{x^{m-1}}}\).
Discuter suivant les valeurs de \(m\) : \(m<2\) et \(m\ge2\)
Pour \(K\) :
Discuter suivant les valeurs de \(m\) : \(m>1\), \(0<m\le1\) et \(m\le0\).
si \(m>1\), comparer la fonction \(\displaystyle{\frac{|\sin x|}{x^m}}\) avec la fonction \(\displaystyle{\frac{1}{x^m}}\)
si \(0<m\le1\), la fonction \(\displaystyle{t\mapsto\frac{\sin t}{t^m}}\) étant \(C^1\) sur l'intervalle fermé \([1,x]\), on effectue une intégration par parties et on étudie séparément chaque terme de la somme obtenue.
si \(m\le0\), il faut montrer que l'intégrale \(K\) est divergente.
On met en évidence une suite de points, ici \((n\pi)\), tendant vers \(+\infty\), telle que la série de terme général \(\displaystyle{u_n=\int_{(n-1)\pi}^{n\pi}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) soit divergente.
Posons \(m'=-m\ge0\) et on étudie \(\displaystyle{u_n=\int_{(n-1)\pi}^{n\pi}t^{m'}\sin t~dt}\) .
Solution simple
L’intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est convergente si et seulement si \(0<m<2\).
Solution détaillée
La fonction \(\displaystyle{x\mapsto\frac{\sin x}{x^m}}\) est continue donc localement intégrable sur l’intervalle \(]0,+\infty[\). On étudie séparément les intégrales \(\displaystyle{\int_0^1\frac{\sin t}{t^m}dt}\) et \(\displaystyle{\int_1^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\).
Étude de l’intégrale \(\displaystyle{\int_0^1\frac{\sin t}{t^m}dt}\)
La fonction garde un signe constant sur l'intervalle d'intégration et, quand \(x\) tend vers \(0\) on a : \(\displaystyle{\frac{\sin x}{x^m}\sim\frac{1}{x^{m-1}}}\).
L'intégrale \(\displaystyle{\int_0^1\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est donc convergente si \(m-1<1\) soit \(m<2\), divergente sinon, (on remarque que si \(m<1\), la fonction est prolongeable par continuité en \(0\)).
Étude de l’intégrale \(\displaystyle{\int_1^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\)
Dans le cas \(m>1\), on a, pour tout \(x\ge1\), \(\displaystyle{\frac{|\sin x|}{x^m}\le\frac{1}{x^m}}\). L'intégrale est donc absolument convergente.
On suppose maintenant \(m\le1\). On distinguera les cas : \(m>0\) et \(m\le0\).
Si \(m\) est strictement positif, on a, pour tout \(x\ge1\), en intégrant par parties (ce que l'on peut faire car la fonction \(\displaystyle{t\mapsto\frac{\sin t}{t^m}}\) est de classe \(C^1\) sur l'intervalle fermé \([1,x]\)) :
\(\displaystyle{\int_1^x\frac{\sin t}{t^m}dt=\left[-\frac{\cos t}{t^m}\right]_1^x-m\int_1^x\frac{\cos t}{t^{m+1}}dt}\).
L'intégrale \(\displaystyle{\int_1^x\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est somme de deux termes. Quand \(x\) tend vers \(+\infty\), le premier terme a une limite et le second est une intégrale absolument convergente. L'intégrale \(\displaystyle{\int_1^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est donc convergente.
Montrons maintenant que pour \(m\le0\), l'intégrale est divergente. On met en évidence une suite de points, ici \((n\pi)\), tendant vers \(+\infty\), telle que la série de terme général \(\displaystyle{u_n=\int_{(n-1)\pi}^{n\pi}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) soit divergente.
Posons \(m'=-m\ge0\). On a \(\displaystyle{u_n=\int_{(n-1)\pi}^{n\pi}t^{m'}\sin t~dt}\), d'où, par périodicité de la fonction sinus :
\(\displaystyle{u_n=(-1)^{n-1}\int_0^\pi(u+(n-1)\pi)^{m'}\sin u~du}\).
On en déduit, puisque la fonction sinus est positive sur l'intervalle \([0,\pi]\) :
\(\displaystyle{|u_n|=\int_0^{\pi}(u+(n-1)\pi)^{m'}\sin u~du\ge((n-1)\pi)^{m'}\int_0^{\pi}\sin u~du=2((n-1)\pi)^{m'}}\).
Il s'ensuit que le terme général \(u_n\) ne tend pas vers \(0\), puis que la série \(\displaystyle{\sum u_n}\) est divergente, et enfin que l'intégrale \(\displaystyle{\int_1^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est également divergente.
Finalement l’intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\frac{\sin t}{t^m}dt}\) est convergente si et seulement si \(0<m<2\).
Question
En déduire, grâce à un changement de variable, la nature de l'intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\sin(t^m)~dt,~(m\in\mathbb R)}\).
Solution détaillée
On remarque que si \(m=0\), l’intégrale est divergente.
On distinguera les cas \(m>0\) et \(m<0\).
Cas \(m>0\)
On fait le changement de variable : \(u=t^m\). On a alors : \(\displaystyle{\forall x>0,~\int_0^{x}\sin(t^m)dt=\frac{1}{m}\int_0^{x^m}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du}\).
Quand \(x\) tend vers \(+\infty\), il en est de même de \(x^m\). Or, d'après la question précédente, l'intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du}\) est convergente si et seulement si \(\displaystyle{0<1-\frac{1}{m}<2}\) c'est-à-dire \(m>1\).
Cas \(m<0\)
On utilise le même changement de variable \(u=t^m\), qui conduit, à partir de l'intégrale \(\displaystyle{\int_{x^m}^{A^m}\sin(t^m)dt}\), \(0<x<A\), à étudier l'intégrale : \(\displaystyle{\frac{1}{m}\int_{x^m}^{A^m}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du=-\frac{1}{m}\int_{A^m}^{x^m}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du}\).
Lorsque \(x\) tend vers \(0\) et \(A\) vers \(+\infty\), \(x^m\) et \(A^m\) tendent respectivement vers \(+\infty\) et \(0\). D'après la question précédente, l'intégrale \(\displaystyle{\int_{A^m}^{x^m}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du}\) admet donc une limite lorsque \(x\) tend vers \(0\) et \(A\) vers \(+\infty\) si et seulement si \(\displaystyle{0<1-\frac{1}{m}<2}\) c'est-à-dire \(m<-1\). Lorsque \(m<-1\), on obtient :
\(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\sin(t^m)~dt=-\frac{1}{m}\int_0^{+\infty}\frac{\sin u}{u^{\tfrac{m-1}{m}}}du}\).
Conclusion : l’intégrale \(\displaystyle{\int_0^{+\infty}\sin(t^m)~dt}\) est convergente si et seulement si \(|m|>1\).