Cours – Intégrales généralisées

Chapitre 05

Auteur·rice

Saîd MAHARI

Date de publication

19 septembre 2026

ECS (2e année) — Chapitre 05. Convergence, critères pour fonctions positives, convergence absolue.

Ce chapitre a été réalisé conformément au programme marocain de mathématiques de la filière ECS.

1 Définition

Définition 1.1 — (Intégrale généralisée)

Soit f : [a, b[ \to \mathbb{R} continue par morceaux, où b \in ]a, +\infty] ou b = +\infty. L’intégrale \int_a^b f(t)\, dt converge si : \lim_{x \to b^-} \int_a^x f(t)\, dt existe et est finie. On la note alors \int_a^b f(t)\, dt.

Définition 1.2 — (Cas \boldsymbol{]a, b]})

Si f : ]a, b] \to \mathbb{R}, l’intégrale \int_a^b f(t)\, dt converge si \lim_{x \to a^+} \int_x^b f(t)\, dt existe et est finie.

Définition 1.3 — (Cas \boldsymbol{]a, b[})

Si f : ]a, b[ \to \mathbb{R}, l’intégrale converge si pour un c \in ]a, b[, les deux intégrales \int_a^c f et \int_c^b f convergent (indépendamment du choix de c).

2 Intégrales de référence

2.1 Riemann en +\infty

Proposition 2.1 — (Riemann en \boldsymbol{+\infty})

\int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^\alpha} converge si et seulement si \alpha > 1, et : \int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^\alpha} = \frac{1}{\alpha - 1}

2.2 Riemann en 0

Proposition 2.2 — (Riemann en \boldsymbol{0^+})

\int_0^1 \frac{dt}{t^\alpha} converge si et seulement si \alpha < 1, et : \int_0^1 \frac{dt}{t^\alpha} = \frac{1}{1 - \alpha}

2.3 Exponentielle

Proposition 2.3

\int_0^{+\infty} e^{-\alpha t}\, dt converge si et seulement si \alpha > 0, et : \int_0^{+\infty} e^{-\alpha t}\, dt = \frac{1}{\alpha}

Proposition 2.4

\int_0^1 \ln t\, dt converge et vaut -1.

3 Critères pour fonctions positives

Théorème 3.1 — (Comparaison)

Soient f, g : [a, b[ \to \mathbb{R}^+ continues par morceaux avec 0 \leq f(t) \leq g(t) au voisinage de b.

  1. Si \int_a^b g(t)\, dt converge, alors \int_a^b f(t)\, dt converge.
  2. Si \int_a^b f(t)\, dt diverge, alors \int_a^b g(t)\, dt diverge.

Théorème 3.2 — (Équivalence)

Si f(t) \sim_b g(t) avec f, g \geq 0, alors \int_a^b f et \int_a^b g sont de même nature.

Théorème 3.3 — (Critère de Riemann)

Si f(t) \sim_b \frac{1}{(b-t)^\alpha} (ou \frac{1}{t^\alpha} en +\infty) :

  • En +\infty : convergence ssi \alpha > 1.
  • En a^+ : convergence ssi \alpha < 1.

4 Convergence absolue

Définition 4.1 — (Convergence absolue)

\int_a^b f(t)\, dt est absolument convergente si \int_a^b |f(t)|\, dt converge.

Théorème 4.1

Toute intégrale absolument convergente est convergente. De plus : \left|\int_a^b f(t)\, dt\right| \leq \int_a^b |f(t)|\, dt

Exemple 4.1

\int_1^{+\infty} \frac{\sin t}{t^2}\, dt converge absolument car \left|\frac{\sin t}{t^2}\right| \leq \frac{1}{t^2}.

Exemple 4.2 — (Semi-convergence)

\int_1^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\, dt converge (par IPP) mais pas absolument.

5 Exercices

Exercice 5.1

Étudier la convergence de :

  1. \int_1^{+\infty} \frac{dt}{t^2 + 1}
  2. \int_0^1 \frac{dt}{\sqrt{t}}
  3. \int_0^{+\infty} e^{-t^2}\, dt

Exercice 5.2

Étudier \int_0^{+\infty} \frac{1 - \cos t}{t^\alpha}\, dt selon \alpha.

Exercice 5.3

Calculer \int_0^{+\infty} t e^{-t}\, dt.

Exercice 5.4

Étudier \int_0^1 \frac{\ln t}{t^\alpha}\, dt selon \alpha.

Exercice 5.5

Montrer que \int_0^{+\infty} \frac{\sin t}{t}\, dt converge mais pas absolument.

Exercice 5.6

Étudier \int_0^{+\infty} \frac{dt}{(1+t^2)^2}.

Exercice 5.7

Soit f : [0, +\infty[ \to \mathbb{R}^+ continue, positive et décroissante. Montrer que \int_0^{+\infty} f(t)\, dt converge si et seulement si \sum f(n) converge.

Exercice 5.8

Étudier la convergence absolue de \int_0^{+\infty} \frac{\sin t}{t^\alpha}\, dt selon \alpha.

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📝 Chapitre 05 : Intégrales généralisées

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