Soit x∈R0. Soit f la fonction suivante : f:x⟼f(x)=∫x2xt4+t2+11dt
Etudier la parité de f.
Correction
La fonction T:t⟼T(t)=t4+t2+11 est définie (donc continue) sur R, de fait f également. On a alors, ∀x∈R, le résultat suivant : f(−x)=∫−x−2xt4+t2+11dt Posons u=−t dans ce cas dt=−du et lorsque t va de −x à −2x on constate que u va de x à 2x, donc : f(−x)=∫x2x(−u)4+(−u)2+1−1du=−∫x2xu4+u2+11du=−f(x) Donc la fonction f est impaire.
Question 2
Etudier, sur R, les variations de f.
Correction
Nous allons étudier les variations de f sur R+, puis par imparité, deviner celles sur R−, donc sur R tout entier. Donc x⩾0, donc 2x⩾x. La fonction T:t⟼T(t)=t4+t2+11 est strictement positive sur R+, et de fait la fonction f est strictement positive si x>0 et nulle si x=0 (car les deux bornes de l'intégrale seraient alors les mêmes). Soit a tel que x⩽a⩽2x. On a alors l'écriture suivante : f(x)=∫x2xt4+t2+11dt=∫xat4+t2+11dt+∫a2xt4+t2+11dt Ceci peut également s'écrire comme : f(x)=∫x2xt4+t2+11dt=−∫axt4+t2+11dt+∫a2xt4+t2+11dt Et de fait : f(x)=∫a2xt4+t2+11dt−∫axt4+t2+11dt Donc, on en déduit immédiatement que : f′(x)=(2x)′T(2x)−T(a)−((x)′T(x)−T(a))=(2x)′T(2x)−T(a)−(x)′T(x)+T(a)=2T(2x)−T(x) Soit encore : f′(x)=(2x)4+(2x)2+12−(x4+x2+11 Ce qui nous donne : f′(x)=16x4+4x2+12−x4+x2+11 On constate que f′(0)=1. Supposons maintenant que f′(x)⩾0. Dans ce cas, on a alors : 16x4+4x2+12−x4+x2+11⩾0⟺16x4+4x2+12⩾x4+x2+11 Donc : 2x4+x2+1⩾16x4+4x2+1 Ce qui implique, en élevant au carré, que : 4(x4+x2+1)⩾16x4+4x2+1⟺4x4+4x2+4⩾16x4+4x2+1⟺4x4+4⩾16x4+1 D'où : 4−1⩾16x4−4x4⟺3⩾12x4⟺123⩾x4⟺41⩾x4⟺(21)2⩾(x2)2⟺21⩾x2 Comme x⩾0, on a donc uniquement : 21⩾x⩾0 Donc : f′(x)⩾0⟺0⩽x⩽21 Ce qui nous permet d'affirmer que la fonction f est croissante lorsque 0⩽x⩽21. Puis, on constate que : f′(x)=0⟺2x4+x2+1=16x4+4x2+1⟺21=x2 Et comme x⩾0, on a donc uniquement : f′(x)=0⟺x=21 Ce qui signifie que x=21 correspond à un maximum de f sur R+, et ce maximum représente l'aire sous la courbe représentative de la fonction positive T:t⟼T(t)=t4+t2+11 entre les abscisses 21 et 22. Graphiquement, cela correspond à la situation suivante :
Notons par M ce maximum, et ce dernier vaut (numériquement) environ M≃0,39. Donc, on en déduit que lorsque x>21 la fonction f est décroissante. Mais nous n'avons à ce stade pas de renseignement sur la limite de f lorsque x⟶+∞. En effet, nous savons "simplement" que f est strictement positive si x>0. C'est pourquoi nous allons déterminer la limite de f lorsque x⟶+∞. On a alors : t4+t2+1=(t2)2+2×t2×21+41+1−41=(t2+21)2+43⩾t2 Donc, on en déduit que : t4+t2+11⩽t21 Comme x⩾0, cela implique que : ∫x2xt4+t2+11dt⩽∫x2xt21dt Avec : ∫x2xt21dt=[−t1]x2x=[t1]2xx=x1−2x1=2x1 Par passage à la limite, on a : 0⩽x⟶0lim∫x2xt4+t2+11dt⩽x⟶0lim∫x2xt21dt Soit : 0⩽x⟶0lim∫x2xt4+t2+11dt⩽x⟶0lim2x1 Or x⟶0lim2x1=0. Donc le théorème de l'encadrement nous permet de conclure que : x⟶0lim∫x2xt4+t2+11dt=0 Ce qui revient à dire que : x⟶0limf(x)=0. Donc, on a le tableau de variation de f sur R+ suivant :
Ceci se vérifie bien graphiquement. En effet, à l'aide d'un logiciel de calcul numérique, on trouve que la courbe représentative de la fonction f est :