transformée de laplace

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CPGE Lissane Eddine - Laayoune Essaidi Ali [email protected] Transformée de Laplace Définitions et notations Soit f : [0, +[R continue par morceaux sur [0, +[. On appelle transformée de Laplace de f l’application (lorsque l’intégrale converge), L f (x)= Z +0 e -xt f (t)dt. Pour tout ensemble A, l’application 1 A désigne la fonction caractéristique de A (i.e 1 A (x)=1 si x A et 0 sinon). Première partie Transformée de Laplace Soit f : [0, +[R continue par morceaux sur [0, +[ telle que M> 0, a R, t 0, |f (t)|≤ Me at . 1: Montrer que L f est définie et continue sur ]a, +[. 2: Montrer que L f est de classe C 1 sur ]a, +[ et déterminer (L f ) 0 . 3: Montrer que L f est de classe C sur ]a, +[ et déterminer (L f ) (k) pour tout k N. Deuxième partie Injectivité de l’application f 7L (f ) Soit f : [0, +[R continue et bornée sur [0, +[ et soit x> 0 et (X n ) nN * une suite de variables aléatoires telle que n N * ,X n , →E ( 1 x ) . 1: Donner, pour tout n N, la loi de la variable aléatoire S n = n X k=1 X k . 2: Donner, pour tout n N, la loi de la variable aléatoire Sn n . 3: Montrer que ( Sn n ) nN * converge en probabilité vers x. 4: En déduire que ( f ( Sn n )) nN * converge en probabilité vers f (x). 5: Soit ε> 0 et on pose n N * ,A n = ( f ( Sn n ) - f (x) ε ) . 5-1: Montrer que n N * ,A n est un événement et f ( Sn n ) - f (x) ε1 An + kf k (1 - 1 An ). 5-2: En déduire que lim n+E f S n n = f (x). 6: Montrer que f (x)= lim n+n n (-1) n-1 (n - 1)!x n (L f ) n-1 n x . 7: Conclure que si h et g sont deux fonctions réelles continues et bornées sur [0, +[ telles que L g = L h alors h = g. Troisième partie Comportement au voisinage de 0 Soit f : [0, +[R continue par morceaux sur [0, +[. 1: On suppose que l’intégrale Z +0 f (t)dt converge et on pose F : x [0, +[7Z x 0 f (t)dt. 1-1: Montrer que L f est bien définie sur [0, +[ et que x> 0, L f (x)= Z +0 e -t F t x dt. 1-2: Montrer que F est bornée sur [0, +[. 1-3: En déduire que L f est continue sur [0, +[. 2: Application : Soit g(x)= Z +0 e -xt sin t t dt. 2-1: Montrer que g est de classe C 1 sur ]0, +[ et calculer g 0 . 2-2: Calculer lim x+g(x) et conclure une expression sans intégrale de g sur ]0, +[. www.mathlaayoune.webs.com 1/2 Tournez la page s.v.p

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Un petit problème sur la transformée de Laplace.

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  • CPGE Lissane Eddine - Laayoune Essaidi Ali [email protected]

    Transforme de Laplace

    Dfinitions et notationsSoit f : [0,+[ R continue par morceaux sur [0,+[. On appelle transforme de Laplace de f lapplication (lorsquelintgrale converge),L f(x) =

    +0

    extf(t)dt.

    Pour tout ensemble A, lapplication 1A dsigne la fonction caractristique de A (i.e 1A(x) = 1 si x A et 0 sinon).

    Premire partieTransforme de Laplace

    Soit f : [0,+[ R continue par morceaux sur [0,+[ telle que M > 0,a R,t 0, |f(t)| Meat.1: Montrer queL f est dfinie et continue sur ]a,+[.2: Montrer queL f est de classe C 1 sur ]a,+[ et dterminer (L f).3: Montrer queL f est de classe C sur ]a,+[ et dterminer (L f)(k) pour tout k N.

    Deuxime partieInjectivit de lapplication f 7 L (f)

    Soit f : [0,+[ R continue et borne sur [0,+[ et soit x > 0 et (Xn)nN une suite de variables alatoires telle quen N, Xn E

    (1x

    ).

    1: Donner, pour tout n N, la loi de la variable alatoire Sn =nk=1

    Xk.

    2: Donner, pour tout n N, la loi de la variable alatoire Snn .3: Montrer que

    (Snn

    )nN converge en probabilit vers x.

    4: En dduire que(f(Snn

    ))nN converge en probabilit vers f(x).

    5: Soit > 0 et on pose n N, An =(f (Snn ) f(x) ).

    5 - 1: Montrer que n N, An est un vnement etf (Snn ) f(x) 1An + f(1 1An).

    5 - 2: En dduire que limn+E

    (f

    (Snn

    ))= f(x).

    6: Montrer que f(x) = limn+

    nn(1)n1(n 1)!xn (L f)

    n1(nx

    ).

    7: Conclure que si h et g sont deux fonctions relles continues et bornes sur [0,+[ telles queL g = L h alors h = g.

    Troisime partieComportement au voisinage de 0

    Soit f : [0,+[ R continue par morceaux sur [0,+[.1: On suppose que lintgrale

    +0

    f(t)dt converge et on pose F : x [0,+[ 7 x0

    f(t)dt.

    1 - 1: Montrer queL f est bien dfinie sur [0,+[ et que x > 0,L f(x) = +0

    etF(t

    x

    )dt.

    1 - 2: Montrer que F est borne sur [0,+[.1 - 3: En dduire queL f est continue sur [0,+[.2: Application : Soit g(x) =

    +0

    extsin t

    tdt.

    2 - 1: Montrer que g est de classe C 1 sur ]0,+[ et calculer g.2 - 2: Calculer lim

    x+ g(x) et conclure une expression sans intgrale de g sur ]0,+[.

    www.mathlaayoune.webs.com 1/2 Tournez la page s.v.p

  • CPGE Lissane Eddine - Laayoune Essaidi Ali [email protected]

    2 - 3: Dduire que +0

    sin t

    tdt =

    pi

    2(Intgrale de Dirichlet).

    3: On suppose que f(x) =+

    (1x

    )et queL f est dfinie sur ]0,+[.

    3 - 1: Montrer que x > 0, x

    0

    f(t)dtL f(1

    x

    ) 1x x0

    1 e txtx

    |tf(t)|dt+ +x

    etx

    t|tf(t)|dt.

    3 - 2: En dduire que siL f admet une limite en 0+ alors +0

    f(t)dt converge et on a +0

    f(t)dt = limx0+

    L f(x).

    3 - 3: Montrer que ce rsultat est faux si on ne suppose pas que f(x) =+

    (1x

    )(considrer le cas f(x) = sinx).

    Quatrime partieComportement au voisinage de +

    Soit f : [0,+[ R continue par morceaux sur [0,+[. On suppose que f est continue en 0, f(0) 6= 0 et x0 [0,+[ telque t 7 ex0tf(t) soit intgrable sur [0,+[.1: Montrer que x x0,L f(x) = 1

    x

    10

    etf(t

    x

    )1[0, x0x ]

    (t)dt+

    +x0

    extf(t)dt.

    2: Montrer que limx+

    10

    etf(t

    x

    )1[0, x0x ]

    (t)dt = f(0).

    3: Montrer que limx+

    +x0

    extf(t)dt = 0.

    4: En dduire queL f(x) +

    f(0)x .

    5: Application : Montrer que +0

    extsin t

    tdt

    +1

    x.

    Cinquime partieHolomorphie de la transforme de Laplace

    Soit f : [0,+[ R continue par morceaux sur [0,+[ et telle que M > 0, R,a R,t a, |f(t)| Met.On considre lapplication g(x, y) =

    +0

    exiyf(t)dt et U = {(x, y) R2/x > }.1: Soit x > . Montrer que la fonction u(y) = g(x, y) est drivable sur R. En dduire que gy existe sur U .2: Soit y R. Montrer que la fonction v(x) = g(x, y) est drivable sur ]0,+[. En dduire que gx existe sur U .3: Montrer que g est de classe C 1 sur U .

    4: En dduire que Lf(z) = +0

    eztf(t)dt est holomorphe sur le demi-plan {z C/ } et dterminer (L f).

    www.mathlaayoune.webs.com 2/2 Fin du problme