- Intégrale de Dirichlet
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L' intégrale de Dirichlet est l'intégrale de la fonction sinus cardinal sur la demi-droite des réels positifs
Il s'agit d'une intégrale impropre semi-convergente, c'est-à-dire que la fonction n'est pas intégrable au sens généralisé de Riemann, mais
existe.
Sommaire
Étude de la convergence
- On considère la fonction :
On a
donc f est prolongeable par continuité en 0.
Montrons que cette fonction n'est pas intégrable : on considère, pour tout
, la suite :
Le changement de variables t = x − nπ donne
On peut alors écrire :
On en déduit :
or cette série est la série harmonique, qui diverge.
La fonction f n'est donc pas intégrable sur
- Montrons maintenant que
existe.
On a
Une intégration par parties, avec
puis en prenant
permet d'écrire, pour a strictement supérieur à 0 :
De plus
converge, car
et
Avec
et
on en conclut que
existe (et est égale à
)
- Dirichlet[1], dans son article historique de 1829 sur les séries de Fourier, mentionne en passant une preuve basée sur la règle de convergence des séries alternées : "On sait que
a une valeur finie et égale à π / 2. Cette intégrale peut être partagée en une infinité d'autres, prises la première depuis γ = 0 jusqu'à γ = π, la seconde depuis γ = π jusqu'à γ = 2π, et ainsi de suite. Ces nouvelles intégrales sont alternativement positives et négatives, chacune d'elles a une valeur numérique inférieure à celle de la précédente (...)."
- Une preuve élégante a été publiée en 1858[2], aussi en passant, par le professeur allemand Ferdinand Minding qui dit l'avoir reçue plusieurs années avant d'un de ses auditeurs, S.N. Zwett. En traduisant textuellement, conservant la notation sin x2 alors en usage en Allemagne pour désigner (sin x)2: "On a
d'où
ou
De cette remarque suit encore pour
, comme on l'a souvent trouvé,
"
Calcul de l'intégrale
Avec des suites
- Posons, pour
, la fonction
Comme on a en 0 : sin(x)∼x et
on a donc, toujours en 0 :
La fonction g est donc continue sur
et prolongeable par continuité en 0.
- On considère maintenant la suite d'intégrales
Comme
, la suite
est bien définie.
De plus, remarquons que
On en tire alors
La suite Jn est donc constante, et
- On considère maintenant la suite d'intégrales
Comme
la suite
est bien définie.
Le changement de variables t = (2n + 1)x donne
On en déduit alors
- On a :
On a vu que la fonction g est continue sur
, donc par le lemme de Riemann-Lebesgue,
On en conclut :
Avec le théorème des résidus
En remarquant que
, et en considérant la fonction complexe
le théorème des résidus donne le résultat voulu. Il faut faire attention, au niveau du contour, à faire un petit détour autour de zéro car la fonction
y possède un pôle.
Plus précisément, considérons le contour défini comme suit : pour deux réelsepsilon>0" border="0">, on choisit le demi-cercle
de centre O, de rayon R situé dans le demi-plan supérieur, le demi-cercle
de centre O, de rayon
situé dans le demi-plan inférieur et on les relie par deux segments I et J. Cette courbe délimite un domaine borné du plan contenant l'origine.
La fonction f admet en O un unique pôle de muliplicité 1. La formule des résidus donne alors
Le cercle
se paramètre par
pour θ variant entre 0 et π. On a alors
Il s'ensuit que
Cette dernière intégrale est une fonction décroissante de R ; elle admet donc une limite en
En appliquant par exemple le théorème de convergence dominée, il vient alors
De même, le cerclese paramètre par
pour θ variant entre π et 2π. On a alors
En prenant la partie imaginaire de l'équation (1) puis en faisant tendre R verset
vers 0, il vient alors
On peut aller un peu plus vite en considérant la fonctionqui se prolonge en une fonction holomorphe en 0. On intègre alors sur le contour constitué du cercle
et de l'intervalle [ − R,R]. Par le théorème de Cauchy, cette intégrale vaut 0. Mais d'autre part
En prenant la partie imaginaire et en faisant tendre R vers
, il vient à nouveau
Avec une transformée de Laplace
Grâce à la transformée de Laplace, on peut calculer la valeur de l'intégrale de Dirichlet.
En effet, admettons que si
, alors
Choisissons
et
On sait de plus qued'où
Or
La propriété admise donne alors
En revenant à la définition de la transformation de Laplace, il vient
En particulier, si
, on obtient
Notons qu'une méthode pour démontrer la formule de transformée de Laplace inverse est d'utiliser la formule des résidus. La méthode de calcul direct est donc, de ce point de vue, préférable.
Notes et références
Notes
- Dirichlet, Sur la convergence des séries trigonométriques qui servent à représenter une fonction arbitraire entre des limites données. J. Math. (Crelle) 4 (1829) p. 161.)
- Minding, F., Ueber den Werth des integrals
wenn m und n positive ganze Zahlen sind und m>n oder m=n ist, Archiv der Math. und Phys. (1858) p. 177.)
Références
- Nino Boccara, Fonctions analytiques [détail des éditions]
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