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Une petite formule

Posté par
H_aldnoer
02-03-08 à 11:37

Bonjour,

un petit exercice pour notre ami kaiser :
Montrer que \Bigint_{[0,+\infty[}\frac{t^{z-1}}{e^t-1}dt=\lim_{k\to +\infty} \Bigsum_{l=1}^k\Bigint_{[0,+\infty[}t^{z-1}e^{-lt}dt=\frac{\Gamma(z)}{l^z} si Re(z)>1.

Une idée ?

Posté par
lyonnais
re : Une petite formule 02-03-08 à 11:49

Salut H_aldnoer

\Large{\frac{1}{e^t-1} = \frac{e^{-t}}{1-e^{-t}} = e^{-t}\sum_{l=0}^{+\infty} e^{-lt} = \sum_{l=1}^{+\infty} e^{-lt}

Donc tu dois montrer que :

\Large{\Bigint_{]0,+\infty[} \sum_{l=1}^{+\infty} t^{z-1}e^{-lt} dt = \sum_{l=1}^{+\infty} \Bigint_{]0,+\infty[} t^{z-1}e^{-lt} dt

Théorème d'intervertion somme/intégrale ...

Bon courage

Posté par
lyonnais
re : Une petite formule 02-03-08 à 12:08

Sauf que je pense que le résultat final est plutôt :

\Large{\sum_{l=1}^{+\infty} \Bigint_{]0,+\infty[} t^{z-1}e^{-lt} dt = \Gamma(z)\sum_{l=1}^{+\infty} \frac{1}{l^z}

A+

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 12:27

Salut lyonnais,

on a bien \Large{\Bigsum_{l=1}^{+\infty}%20e^{-lt}=\lim_{k\to +\infty} \frac{1-(e^{-t})^{k+1}}{1-e^{-t}}}

?

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 12:51

Puisque t>0, on a |e^{-t}|<1 ?

Posté par
lyonnais
re : Une petite formule 02-03-08 à 12:52

Oui

Et pour t dans ]0,+oo[ la limite vaut 1/(1-e^(-t)) car alors  |e^(-t)| < 1

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 12:57

J'applique alors le critère de convergence dominé à la suite de fonction f_k(t)=\Bigsum_{l=1}^kt^{z-1}e^{-lt} c'est bien ça ?

Posté par
lyonnais
re : Une petite formule 02-03-08 à 13:04

Ou alors plus simplement, la " version série " du théorème de convergence dominée à :

\Large{f_l(t) = t^{z-1}e^{-lt}

ça doit bien marcher.

Je te laisse entre les mains de Kaiser (et autres ) fin des vacances malheureusement, je dois y aller.

Bon courage !

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 13:10

merci pour ton aide!

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 13:53

J'ai un petit souci dans la définition de la suite de fonction, normalement ce sont des fonctions mesurables toutes intégrable relativement à la mesure de Lebesgue.
Mais je n'arrive pas à voir pourquoi si on définit (f_k)_k par f_k(t)=\Bigsum_{l=1}^kt^{z-1}e^{-lt} alors c'est bien le cas.

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:37

J'utilise le résultat :
\Bigint_{[0,\infty[}\lim_{k\to +\infty} f_k(t)dt=\lim_{k\to +\infty}\Bigint_{[0,\infty[} f_k(t)dt
si f_k(t)=\Bigsum_{l=1}^kt^{z-1}

Cela fonctionne parfaitement.

Pour pouvoir utiliser cela, il faut vérifier :
.qu'il y a convergence simple.
.qu'il existe une majorante intégrable.

J'arrive à montrer ces deux points.
Je ne comprend pas uniquement 13:53.

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:38

salut à tous

Ces fonctions sont mieux que mesurables. Elles sont continues.
De plus, on a affaire à une somme finie de fonctions intégrables donc c'est une fonction intégrable.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:38

A ce propos je trouve que la limite simple = la majorante intégrable.

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:38

Pourquoi sont-elles intégrables ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:44

Citation :
A ce propos je trouve que la limite simple = la majorante intégrable.


euh presque : il faut qu'elle soit positive et la limite simple ne l'est pas (z est complexe).

Citation :
Pourquoi sont-elles intégrables ?


Chaque terme défini une fonction continue. Il reste à voir ce qui se passe au bord (en 0 et en \Large{+\infty}).

En 0, chaque terme tend vers 0 et en l'infini, c'est par exemple un o(1/t²).

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:48

Ok.
Je trouve \lim_{k\to +\infty} f_k(t)=\frac{t^{z-1}}{e^t-1}.
Je prend comme majorante intégrable \frac{t^{x-1}}{e^t-1} ou x=Re(z) ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 14:53

Pourquoi c'est effectivement intégrable ?

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:01

la fonction t\to \frac{t^{x-1}}{e^t-1} est continue, donc c'est localement intégrable.
au voisinage de +\infty on a \frac{t^{x-1}}{e^t-1}=o(\frac{1}{t^2}) ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:02

Continue, oui, mais sur quel ensemble ?

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:15

Comment sur quel ensemble ?

en 0, je trouve que \frac{t^{x-1}}{e^t-1} est équivalent à t^{x-2} qui est intégrable ssi x>1 ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:17

Justement, je voulais te faire dire qu'il y avait le problème en 0 à traiter.
Maintenant, tout est OK.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:23

Je cherche une suite à cette exercice, mais je n'en trouve pas.
Est-il possible d'appliquer Fubini ou Fubini-Tonnelli dans l'intégrale \Bigint_{[0,+\infty[}\frac{t^{z-1}}{e^t-1}dt ?

(dans le même style que question 1.c.)

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:27

Pourquoi veux-tu appliquer Fubini ? c'est une intégrale simple.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:30

Non, pas dans l'intégrale elle-même.
Comme dans le sujet, on avait une intégrale simple (la fonction gamma) et en écrivant \Gamma(\lambda)\times\Gamma(1-\lambda) on tombe sur du Fubini-Tonnelli et donc une petite suite à l'exercice.

As tu vu le sujet ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:38

oui j'ai vu le sujet, mais je ne sais pas si ça donne quelque chose en fubinisant ainsi, avec la fonction de ce topic.
Entre parenthèses, l'égalité montrée ci dessous donne une relation entre la fonction Gamma d'Euler et la fonction zêta de Riemann, qu'on peut peut-être essayer de creuser un peu plus.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 15:44

Le théorème de dérivation d'une intégrale à paramètre peut-être ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 16:38

En fait, comme le paramètre est complexe, ça donne plutôt envie de s'intéresser à des propriétés d'holomorphie, mais j'ai l'impression que tu n'as pas fait d'analyse complexe, du moins pas encore (tu as déjà vu que les fonctions Gamma et zêta étaient dérivables et même indéfiniment donc leur produit aussi).

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 16:50

En fait, change z en x (complexe en réel) ça ira très bien kaiser!

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 16:51

Si tu vois quelque chose qui puisse se rapprocher du sujet (fubini, dérivation, ou autre) tiens moi au courant. Je suis intéressé.

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 16:52

OK.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:39

J'ai un petit souci dans la compréhension de ceci :

Citation :
Chaque terme défini une fonction continue. Il reste à voir ce qui se passe au bord

Ok
Citation :
En 0, chaque terme tend vers 0 et en l'infini, c'est par exemple un o(1/t²).

On étudie la limite lorsque t tend vers 0 et t tend vers + l'infini de t^{z-1}e^{-lt} c'est bien ça ?


J'ai refait le calcul, je trouve que f_k converge simplement vers la fonction t\to%20\frac{t^{z-1}}{e^t-1}. Je me trompe pas?

Ensuite il y a un passage que je n'arrive pas à justifier :
|f_k(t)|\le \Bigsum_{l=1}^k t^{x-1}e^{-lt} ceci OK.

Puis : \Bigsum_{l=1}^k t^{x-1}e^{-lt}\le \Bigsum_{l=1}^{\infty} t^{x-1}e^{-lt}
C'est parce qu'on a une série à termes positifs ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:43

Citation :
On étudie la limite lorsque t tend vers 0 et t tend vers + l'infini de t^{z-1}e^{-lt} c'est bien ça ?


oui

Citation :
J'ai refait le calcul, je trouve que f_k converge simplement vers la fonction t\to%20\frac{t^{z-1}}{e^t-1} . Je me trompe pas?


non, tu ne te trompes pas.

Citation :
C'est parce qu'on a une série à termes positifs ?


oui (tu ne fais que rajouter des termes positifs).

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:50

Ok, je suis d'accord pour le o(1/t^2) mais pour la limite en 0 j'ai :

t^{z-1}e^{-lt}=e^{(z-1-l)t} !

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:52

Faux :

par définition, si t est un réel strictement positif et a un complexe, alors on pose \Large{t^{a}=\exp(a\ln(t))}.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:56

Je ne vois pas comment étudier la limite de (z-1)ln(t)-lt kaiser

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 17:58

ça n'admet pas de limite mais son exponentielle si (tu as déjà calculé le module de \Large{t^{z-1}}).

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:05

C'est la limite du module qu'il faut regarder ?
J'ai trouvé |t^{z-1}|=t^{x-1}

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:11

oui (par définition un truc tend vers 0 si et seulement son module tend vers 0)

(n'oublie pas non plus de considérer l'exponentielle)

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:30

Ok!

Peut-on dériver x\to \Bigint_{[0,+\infty[}\frac{t^{x-1}}{e^t-1}dt ?

On a que :
x\to \frac{t^{x-1}}{e^t-1} est dérivable sur ]1,+\infty[
t\to \frac{t^{x-1}}{e^t-1} est intégrable sur [0,+\infty[

On exprime :
3$\frac{\partial}{\partial x}(\frac{t^{x-1}}{e^t-1})=ln(t)\frac{t^{x-1}}{e^t-1}

Il reste à majorer ln(t)\frac{t^{x-1}}{e^t-1} convenablement ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:32

toutafé !

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:38

Donc j'écris :
]1,+\infty[=\Bigcup_{1<a<b}]a,b[

On obtient que 3$|ln(t)\frac{t^{x-1}}{e^t-1}|\le |ln(t)||\frac{max(t^{a-1},t^{b-1})}{e^t-1}|\le |ln(t)||\frac{t^{a-1}+t^{b-1}}{e^t-1}|

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:40

Oui.
Pourrais-tu justifier que cette fonction est bien intégrable ?

Kaiser

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:42

Je reviens dans une demi-heure.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:51

Je vais montrer que les deux fonctions :
|ln(t)|\frac{t^{a-1}}{e^t-1} et |ln(t)|\frac{t^{b-1}}{e^t-1} le sont.

elles sont toutes deux continues, on regarde donc ce qui se passe aux bords.
en 0 :
\frac{t^{a-1}}{e^t-1} est équivalent à t^{a-2}
J'écris :
|ln(t)|t^{a-2}=o(\frac{1}{t^s}) avec s<1
?


en +\infty
\frac{t^{a-1}}{e^t-1} est équivalent à t^{a-1}e^{-t} qui est équivalent à t^{a-1}
J'écris :
|ln(t)|t^{a-1}=o(\frac{1}{t^s}) avec s>1
?

(la deuxième fonction, c'est du même topo..)

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 18:51

Ok!

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 19:13

En 0 :

oui, c'est ce qu'il faut faire

En \Large{+\infty} :

Citation :
t^{a-1}e^{-t} qui est équivalent à t^{a-1}


C'est faux : l'exponentielle tend vers 0.

Sinon, pour prouver l'intégrabilité, il faut bien montrer que l' équivalent simple sur tu trouves (après correction) est un petit o de 1/t^s avec s > 1.

Kaiser

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 19:17

alors j'obtiens en 0 :
a-2-s<0 et s<1 ?

Posté par
kaiser Moderateur
re : Une petite formule 02-03-08 à 19:19

oui

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 19:23

Donc s<1 et s<2-a je vois pas comment prendre s !

Posté par
H_aldnoer
re : Une petite formule 02-03-08 à 19:25

En fait j'ai :

3$\frac{|ln(t)|t^{a-2}}{\frac{1}{t^s}}=\frac{|ln(t)|t^{a-2}}{t^{-s}}=|ln(t)|t^{a-2+s} non ?

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