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Aperçu du cours Maths MP
2. Intégrales à paramètre
2.1. Continuité
On voudrait un théorème donnant la continuité de sur . Quelles sont les hypothèses naturelles pour construire un théorème ? Évidemment, pour pouvoir considérer l'intégrale, on a besoin que pour tout , la fonction soit continue par morceaux. Maintenant, on voudrait que existe bien pour tout . On pourrait rajouter dans le théorème que converge bien pour tout , mais en mathématiques, la convergence d'intégrales n'est pas très souple; on demande plutôt l'absolue convergence.
Imaginons que nous voulions un théorème qui nous dise quand est continue, avec et deux fonctions. Il est évident qu'une hypothèse élégante serait que et soient continues. Plus généralement, si nous voulons un théorème sur continues, on demandera que pour tout , soit continue. Ici, l'analogue continu serait alors l'hypothèse que
On remarque que pour tout , la fonction est bien continue par morceaux sur et que pour tout , est continue sur .
La méthode pour la domination consiste à prendre et puis de chercher à dominer par une fonction qui ne dépend plus de et on s'efforce de faire des inégalités précises pour que la fonction qui domine, souvent notée , soit bien intégrable sur .
Soit et . On a :
Montrer que est continue sur .
Or, est bien intégrable sur et est indépendante de . On peut alors conclure par le théorème de convergence dominée.
Notons la fonction définie sur par
Montrer que est continue sur .
Pour tout , est continue par morceaux sur et pour tout , est continue sur .
Montrons la domination. On prend et , puis on cherche à dominer , autrement dit , par quelque chose qui ne dépend plus de . Et là, nous sommes bien embêtés et nous n'arrivons pas à faire quoi que ce soit.
La continuité est une notion locale. Nous avons alors déjà remarqué qu'il suffisait de trouver une domination pour tout . Prenons donc et considérons et , puis regardons :
Nous sommes très tentés d'écrire que , mais cette inégalité n'est valable que pour . Pour , nous avons plutôt . Ainsi,
où est définie sur par
La bonne nouvelle est que est bien intégrable sur . En effet, en , on a :
Comme , est intégrable en , donc l'est également. En , tout se passe bien puisque écrase tout. Il suffit de voir que
puisque .
On peut alors conclure l'exercice.
Imaginons que nous voulions un théorème qui nous dise quand est continue, avec et deux fonctions. Il est évident qu'une hypothèse élégante serait que et soient continues. Plus généralement, si nous voulons un théorème sur continues, on demandera que pour tout , soit continue. Ici, l'analogue continu serait alors l'hypothèse que
Enfin, le monde des intégrales est non trivial, on ne peut pas faire ce que l'on veut, sauf si on contrôle les choses. On demandera alors une hypothèse de domination :
La clé ici est de remarquer que ne dépend pas de . L'obsession dans les exercices sera alors de regarder et de chercher par tous les moyens possibles de le majorer par quelque chose qui ne dépend pas du paramètre . Évidemment, on pourrait tout à fait faire des majorations grossières et on aurait l'impression d'avoir fait tout comme il faut, mais il y a une hypothèse qui est rajoutée qui nous interdit la grossièreté, qui est :
Théorème
Soient un intervalle de , une partie d'un espace vectoriel normé de dimension finie et une fonction définie de dans .- Pour tout , est continue par morceaux.
- Pour tout , est continue.
- Il existe une fonction intégrable sur telle que
Remarques
- Remarquons que l'hypothèse de domination donne automatiquement que l'intégrale est absolument convergente pour tout puisque l'est.
- est positive. Pour montrer l'intégrabilité de , on peut alors utiliser les outils des fonctions positives.
- Les deux premières hypothèses ne sont pas particulièrement passionnantes et sont généralement faciles à vérifier. On évitera de s'éterniser dessus.
- En pratique, sera surtout un intervalle de . Il peut être difficile d'obtenir une telle domination sur tout l'intervalle puisque peut être étendu. Or, la continuité est une notion locale au sens où pour montrer la continuité d'une fonction en un point , on a uniquement besoin de connaître son comportement près de . On comprend alors que si on montre quealors, en fait,Pour obtenir ce résultat, on peut justement utiliser notre théorème en prenant .
Il peut être astucieux de remarquer les problèmes en amont. Par exemple, si on voit que , on peut se douter qu'il pourrait y avoir un problème en . Nous chercherons alors à trouver une domination sur tout segment de . On prendra un segment de la forme et on cherchera alors à dominer correctement pour tout et par une fonction ne dépendant plus de et intégrable sur . On peut espérer que ce soit plus facile car nous nous sommes éloignés du point grâce à ce strictement positif.
Toujours dans ce cas, on peut aussi chercher à démontrer que est continue sur tout intervalle de la forme avec . L'image à avoir est que nous pouvons capturer tous les points de par des intervalles de cette forme. On fixera alors et on cherchera alors à trouver une domination de pour tout et .
L'idée est de se donner de la marge dans les zones où il pourrait y avoir des difficultés. On utilise les intervalles quand on réalise que les valeurs de élevées ne posent pas de problème et on préfère les dans le cas contraire.
Preuve
C'est une réécriture élégante du théorème de convergence dominée à paramètre réel.Exemple
Monter que est continue sur .Correction
On pose pour tout .On remarque que pour tout , la fonction est bien continue par morceaux sur et que pour tout , est continue sur .
La méthode pour la domination consiste à prendre et puis de chercher à dominer par une fonction qui ne dépend plus de et on s'efforce de faire des inégalités précises pour que la fonction qui domine, souvent notée , soit bien intégrable sur .
Soit et . On a :
La fonction est bien intégrable sur . Le théorème permet alors de conclure que existe bien et est continue sur .
Exemple
Soit . On définit la transformée de Fourier de , notée parCorrection
Comme , on sait qu'elle est continue par morceaux et que . Ainsi, la fonction est continue par morceaux pour tout et la fonction est continue pour tout . De plus,Exemple
Notons la fonction définie sur par
Correction
On pose pour tout . Attention, nous sommes confrontés à une intégrale impropre et il y a potentiellement un problème en si , c'est pourquoi nous avons choisi et non .Pour tout , est continue par morceaux sur et pour tout , est continue sur .
Montrons la domination. On prend et , puis on cherche à dominer , autrement dit , par quelque chose qui ne dépend plus de . Et là, nous sommes bien embêtés et nous n'arrivons pas à faire quoi que ce soit.
La continuité est une notion locale. Nous avons alors déjà remarqué qu'il suffisait de trouver une domination pour tout . Prenons donc et considérons et , puis regardons :
On peut alors conclure l'exercice.
Chapitres
- 1. Intégration sur un intervalle quelconque
- 1.1. Rappels de première année
- 1.2. Premières définitions
- 1.3. Intégrales de référence
- 1.4. Propriétés de l'intégrale généralisée
- 1.5. Fonctions positives
- 1.6. Absolue convergence
- 1.7. Nouveaux outils asymptotiques
- 1.8. Intégration par partie et changement de variable
- 1.9. Intégration des relations de comparaison
- 1.10. Théorème de convergence dominée
- 1.11. Développement : intégrale de Gauss
- 1.12. exos MP : intégration sur un intervalle quelconque
-
- 2. Intégrales à paramètre
- 2.1. Continuité
- 2.2. Dérivation
- 2.3. Classe Ck
- 2.4. Développement : fonction Gamma
- 2.5. Développement : intégrale de Dirichlet
- 2.6. exos MP : intégrales à paramètres
-
- 3. Topologie des espaces vectoriels normés
- 3.1. Définitions
- 3.2. Suites d'éléments d'un espace vectoriel normé
- 3.3. Valeurs d'adhérence
- 3.4. Comparaison
- 3.5. Premières notions topologiques
- 3.6. Caractérisation séquentielle
- 3.7. Notions relatives
- 3.8. Etude locale d'une application
- 3.9. Continuité
- 3.10. Connexité par arc
- 3.11. Applications linéaires et multilinéaires continues
- 3.12. Compacité
- 3.13. Espaces vectoriels normés en dimension finie
- 3.14. Développement : suites de Cauchy et théorème de point fixe
- 3.15. exos MP : topologie des espaces des vectoriels
-
- 4. Séries numériques et vectorielles
- 4.1. Rappels sur les séries numériques
- 4.2. Séries vectorielles
- 4.3. Sommation des relations de comparaison
- 4.4. Comparaison Série-Intégrale
- 4.5. Développement : transformation d'Abel
- 4.6. Développement : Equivalent de Stirling
- 4.7. exos MP : séries
-
- 5. Familles sommables
- 5.1. Termes positifs
- 5.2. Familles sommables de nombres complexes
- 5.3. Développement : série des inverses des nombres premiers
- 5.4. exos MP : familles sommables
-
- 6. Suites de fonctions
- 6.1. Convergence simple
- 6.2. Convergence uniforme
- 6.3. Approximation uniforme
- 6.4. 4 théorèmes fondamentaux
- 6.5. Complément : équirépartition
- 6.6. exos MP : suites de fonctions
-
- 7. Séries de fonctions
- 7.1. Définitions
- 7.2. Application des théorèmes de suites de fonctions
- 7.3. La pratique
- 7.4. Inversion série-intégrale
- 7.5. Développement : la fonction zeta aux entiers pairs strictement positifs
- 7.6. Développement : fonction continue mais nulle part dérivable
- 7.7. exos MP : séries de fonctions
-
- 8. Séries entières
- 8.1. Rayon de convergence
- 8.2. Opérations sur les séries entières
- 8.3. Régularité des séries entières
- 8.4. Développement en série entière
- 8.5. Théorème radial d'Abel
- 8.6. Application 1 : calcul d'intégrale
- 8.7. Application 2 : résolution d'un équation différentielle
- 8.8. Application 3 : combinatoire
- 8.9. Application 4 : inégalité
- 8.10. Développement : preuve du théorème radial d'Abel
- 8.11. exos MP : séries entières
-
- 9. Structures algébriques usuelles
- 9.1. Définition d'un groupe
- 9.2. Groupe des entiers relatifs
- 9.3. Groupe Z/nZ
- 9.4. Groupe de permutations
- 9.5. Partie génératrice
- 9.6. Ordre d'un élément
- 9.7. Rappels sur la structure d'anneau
- 9.8. Anneau Z/nZ
- 9.9. Idéaux
- 9.10. Idéaux de Z et de K[X]
- 9.11. K-Algèbres
- 9.12. Développement : preuve du théorème de Lagrange
- 9.13. Développement : irréductibilité de Z[X]
- 9.14. Développement : polynômes cyclotomiques
-
- 10. Réduction
- 10.1. Compléments d'algèbre linéaire
- 10.2. Le calcul par blocs
- 10.3. Polynômes évalués en un élément d'une K-algèbre
- 10.4. Le coeur de l'algèbre linéaire
- 10.5. Eléments propres d'un endomorphisme
- 10.6. Eléments propres d'une matrices carrée
- 10.7. Polynôme caractéristique
- 10.8. Diagonalisabilité
- 10.9. Une diagonalisation concrète
- 10.10. Trigonalisation
- 10.11. Nilpotence
- 10.12. Polynômes annulateurs et minimaux
- 10.13. Lemme des noyaux
- 10.14. Approche polynomiale de la réduction
- 10.15. Sous-espaces caractéristiques
- 10.16. Développement : Théorème de Cayley-Hamilton
- 10.17. exos MP : réduction
-
- 11. Endomorphismes d'un espace euclidien
- 11.1. Définition de l'adjoint
- 11.2. Propriétés de l'adjoint
- 11.3. Lien transposition et adjonction
- 11.4. Matrices orthogonales
- 11.5. Isométries vectorielles
- 11.6. Orientation
- 11.7. Le groupe orthogonal en dimension 2
- 11.8. Réduction des isométries
- 11.9. Endomorphismes autoadjoints d'un espace euclidien
- 11.10. Théorème spectral
- 11.11. Endomorphismes autoadjoints positifs, définis positifs
- 11.12. Développement : décomposition QR
- 11.13. exos MP : euclidien
-
- 12. Probabilités
- 12.1. Dénombrement
- 12.2. Axiomatisation
- 12.3. Probabilités conditionnelles et indépendance
- 12.4. Espaces probabilisés discrets
- 12.5. Variables aléatoires discrètes
- 12.6. Variables aléatoires indépendantes
- 12.7. Lois usuelles
- 12.8. Espérance de variables aléatoires
- 12.9. Variance d'une variable aléatoire réelle, écart type et covariance
- 12.10. Inégalités probabilistes et loi faible des grands nombres
- 12.11. Fonctions génératrices
- 12.12. Développement : preuve probabiliste du théorème de Weierstrass
- 12.13. Développement : temps d'attente
- 12.14. Développement : graphe aléatoire et transition de phase
- 12.15. exos MP : probabilités
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- 13. Fonctions vectorielles
- 13.1. Dérivabilité
- 13.2. Opérations sur les fonctions dérivables
- 13.3. Applications de classe Ck
- 13.4. Intégration sur un segment
- 13.5. Formules de Taylor
- 13.6. exos MP : fonctions vectorielles
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- 14. Exponentielle d'un endomorphisme, d'une matrice
- 14.1. Définition
- 14.2. Propriétés algébriques de l'exponentielle
- 14.3. Régularité de l'exponentielle
- 14.4. Apparition d'une équation différentielle
- 14.5. Développement : comportement exp(tA) lorsque t grand
- 14.6. Développement : exp(matrices) = matrices inversibles
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- 15. Calcul différentiel et optimisation
- 15.1. Dérivée selon un vecteur, dérivées partielles
- 15.2. Différentielle
- 15.3. Lien entre différentielles, dérivées partielles, et Jacobienne
- 15.4. Gradient
- 15.5. Opérations sur les fonctions différentiables
- 15.6. Vecteurs tangents
- 15.7. Applications de classe C1
- 15.8. Optimisation : étude au premier ordre
- 15.9. Applications de classe Ck
- 15.10. Optimisation : étude au second ordre
- 15.11. Développement : différentielle du déterminant
- 15.12. exos MP : calcul différentiel
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- 16. Equations différentielles linéaires
- 16.1. Problème de Cauchy
- 16.2. Propriété des solutions
- 16.3. Théorème de Cauchy
- 16.4. Systèmes différentiels linéaires homogènes à coefficients constants
- 16.5. Rappels de première année
- 16.6. Wronskien
- 16.7. Variation de la constante
- 16.8. Idée de la démonstration du théorème de Cauchy
- 16.9. Développement : démonstration du théorème de Cauchy
- 16.10. Développement : unicité du théorème de Cauchy
- 16.11. exos MP : équations différentielles
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