L'intégrale de Dirichlet est l'intégrale de la fonction sinus cardinal sur la demi-droite des réels positifs
∫
0
+
∞
sin
x
x
d
x
=
π
2
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}\,{\textrm {d}}x={\frac {\pi }{2}}}
.
Il s'agit d'une intégrale impropre semi-convergente, c'est-à-dire qu'elle n'est pas absolument convergente (
∫
0
+
∞
|
sin
x
|
x
d
x
=
+
∞
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }{\frac {|\sin x|}{x}}\,{\textrm {d}}x=+\infty }
) mais
lim
a
→
+
∞
∫
0
a
sin
x
x
d
x
{\displaystyle \lim _{a\to +\infty }\int _{0}^{a}{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x}
existe et est finie.
On considère la fonction
f
:
R
+
∗
→
R
x
↦
sin
x
x
.
{\displaystyle {\begin{matrix}f\colon &\mathbb {R} _{+}^{*}&\rightarrow &\mathbb {R} \\&x&\mapsto &{\frac {\sin x}{x}}.\end{matrix}}}
En 0, sa limite à droite vaut 1, donc f est prolongeable en une application continue sur [0, +∞[ , si bien qu'elle est intégrable sur [0, a ] pour tout a > 0 . Mais elle n'est pas intégrable en +∞ , c'est-à-dire que
lim
a
→
+
∞
∫
0
a
|
f
(
x
)
|
d
x
=
+
∞
{\displaystyle \lim _{a\to +\infty }\int _{0}^{a}|f(x)|~{\rm {d}}x=+\infty }
[ 1] .
Cependant,
lim
a
→
+
∞
∫
0
a
f
(
x
)
d
x
e
x
i
s
t
e
:
{\displaystyle \lim _{a\to +\infty }\int _{0}^{a}f(x)~{\rm {d}}x\quad {\rm {existe~:}}}
Dirichlet [ 2] , dans son article historique de 1829 sur les séries de Fourier , mentionne en passant une preuve fondée sur le critère de convergence des séries alternées [ 3] :
« On sait que
∫
0
∞
sin
γ
γ
d
γ
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\sin \gamma }{\gamma }}~{\rm {d}}\gamma }
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 […]. » ;
dans le même esprit, la règle d'Abel pour les intégrales — ou une simple intégration par parties — fournit une preuve de convergence[ 4] , [ 5] ;
les méthodes ci-dessous de calcul de l'intégrale fournissent encore d'autres preuves de son existence.
La méthode consiste à poser
J
n
=
∫
0
π
2
sin
(
(
2
n
+
1
)
x
)
sin
x
d
x
,
K
n
=
∫
0
π
2
sin
(
(
2
n
+
1
)
x
)
x
d
x
{\displaystyle J_{n}=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\sin {\big (}(2n+1)x{\big )}}{\sin x}}~{\rm {d}}x,\quad K_{n}=\int _{0}^{\frac {\pi }{2}}{\frac {\sin {\big (}(2n+1)x{\big )}}{x}}~{\rm {d}}x}
et à montrer que la différence de ces deux suites tend vers 0, que la première est constante, égale à π/2 , et que la deuxième tend vers l'intégrale de Dirichlet[ 3] , [ 6] .
En remarquant que x ↦ (sin x )/x est la partie imaginaire de x ↦ eix /x et en considérant la fonction complexe F : z ↦ eiz /z , le théorème des résidus appliqué aux intégrales du quatrième type , permettant de calculer une valeur principale de Cauchy — ou plus simplement ici : le théorème intégral de Cauchy —, donne le résultat voulu.
Plus précisément, F admet un unique pôle , en 0. Considérons le contour défini comme suit : pour deux réels R > ε >0, on choisit les demi-cercles
C
R
{\displaystyle {\mathcal {C}}_{R}}
et
C
ε
{\displaystyle {\mathcal {C}}_{\varepsilon }}
de centre O , de rayons R et ε, situés dans le demi-plan supérieur et on les relie par deux segments I et J . Cette courbe délimite un domaine borné du plan ne contenant pas l'origine.
Contour pour l'intégrale de Dirichlet.
Le théorème de Cauchy donne alors
0
=
∫
C
R
e
i
z
z
d
z
+
∫
U
∪
J
e
i
z
z
d
z
+
∫
C
ε
e
i
z
z
d
z
=
∫
C
R
e
i
z
z
d
z
+
2
i
∫
ε
R
sin
x
x
d
x
+
∫
C
ε
e
i
z
z
d
z
{\displaystyle 0=\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z+\int _{U\cup J}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z+\int _{{\mathcal {C}}_{\varepsilon }}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z=\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z+2{\rm {i}}\int _{\varepsilon }^{R}{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x+\int _{{\mathcal {C}}_{\varepsilon }}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z}
d'où, en faisant tendre R vers +∞ et ε vers 0 :
0
=
0
+
2
i
∫
0
+
∞
sin
x
x
d
x
−
i
π
,
{\displaystyle 0=0+2{\rm {i}}\int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x-{\rm {i}}\pi ,}
ce qui permet de conclure :
∫
0
+
∞
sin
x
x
d
x
=
π
2
.
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x={\frac {\pi }{2}}.}
Détails des limites des intégrales sur les deux demi-cercles
On peut aller un peu plus vite en considérant la fonction z ↦ (eiz – 1)/z qui se prolonge en une fonction entière . On intègre alors sur le contour constitué du demi-cercle
C
R
{\displaystyle {\mathcal {C}}_{R}}
et de l'intervalle [–R , R ]. Par le théorème intégral de Cauchy,
0
=
∫
C
R
e
i
z
−
1
z
d
z
+
∫
−
R
R
e
i
x
−
1
x
d
x
=
∫
C
R
e
i
z
z
d
z
−
∫
C
R
d
z
z
+
2
i
∫
0
R
sin
x
x
d
x
=
∫
C
R
e
i
z
z
d
z
−
i
π
+
2
i
∫
0
R
sin
x
x
d
x
{\displaystyle 0=\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}-1}{z}}~{\rm {d}}z+\int _{-R}^{R}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}x}-1}{x}}~{\rm {d}}x=\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z-\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {d}}z}{z}}+2{\rm {i}}\int _{0}^{R}{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x=\int _{{\mathcal {C}}_{R}}{\frac {{\rm {e}}^{{\rm {i}}z}}{z}}~{\rm {d}}z-{\rm {i}}\pi +2{\rm {i}}\int _{0}^{R}{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x}
d'où, en faisant tendre R vers +∞ :
0
=
0
−
i
π
+
2
i
∫
0
+
∞
sin
x
x
d
x
{\displaystyle 0=0-{\rm {i}}\pi +2{\rm {i}}\int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}~{\rm {d}}x}
et l'on conclut comme précédemment.
On utilise la formule suivante des transformée de Laplace : si
L
(
f
)
=
F
{\displaystyle {\mathcal {L}}(f)=F}
, alors
L
[
f
(
x
)
x
]
=
∫
p
+
∞
F
(
u
)
d
u
{\displaystyle {\mathcal {L}}\left[{\frac {f(x)}{x}}\right]=\int _{p}^{+\infty }F(u)\mathrm {d} u}
.
Ainsi, en utilisant
f
=
sin
{\displaystyle f=\sin }
, d'où
F
(
p
)
=
1
p
2
+
1
{\displaystyle F(p)={\frac {1}{p^{2}+1}}}
.
En revenant à la définition de la transformation de Laplace, la propriété admise donne alors
∫
0
+
∞
e
−
p
x
sin
x
x
d
x
=
∫
p
+
∞
d
u
u
2
+
1
=
[
arctan
u
]
p
+
∞
=
π
2
−
arctan
p
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }\operatorname {e} ^{-px}{\frac {\sin x}{x}}\mathrm {d} x=\int _{p}^{+\infty }{\frac {\mathrm {d} u}{u^{2}+1}}=\left[\arctan u\right]_{p}^{+\infty }={\frac {\pi }{2}}-\arctan p}
.
En passant à la limite[ 7] quand
p
→
0
{\displaystyle p\to 0}
, on obtient
∫
0
+
∞
sin
x
x
d
x
=
π
2
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}\mathrm {d} x={\frac {\pi }{2}}}
.
On considère l'intégrale paramétrique
I
(
y
)
=
∫
0
+
∞
sin
x
x
e
−
x
y
d
x
{\displaystyle I(y)=\int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}\mathrm {e} ^{-xy}\mathrm {d} x}
; on remarque déjà que l'intégrale de Dirichlet correspond à I (0) .
Cette fonction est dérivable et la dérivée vaut :
I
′
(
y
)
=
∫
0
+
∞
∂
∂
y
(
sin
x
x
e
−
x
y
)
d
x
=
∫
0
+
∞
sin
x
x
(
−
x
)
e
−
x
y
d
x
=
−
∫
0
+
∞
sin
(
x
)
e
−
x
y
d
x
=
−
ℑ
m
(
∫
0
+
∞
e
i
x
e
−
x
y
d
x
)
=
−
ℑ
m
(
∫
0
+
∞
e
(
i
−
y
)
x
d
x
)
=
−
ℑ
m
[
1
i
−
y
e
(
i
−
y
)
x
]
x
=
0
+
∞
=
ℑ
m
[
i
+
y
1
+
y
2
e
(
i
−
y
)
x
]
x
=
0
+
∞
=
−
1
1
+
y
2
.
{\displaystyle {\begin{aligned}I'(y)&=\int _{0}^{+\infty }{\frac {\partial }{\partial y}}\left({\frac {\sin x}{x}}\mathrm {e} ^{-xy}\right)\mathrm {d} x=\int _{0}^{+\infty }{\frac {\sin x}{x}}(-x)\mathrm {e} ^{-xy}\mathrm {d} x=-\int _{0}^{+\infty }\sin(x)\mathrm {e} ^{-xy}\mathrm {d} x\\&=-\Im m\left(\int _{0}^{+\infty }\mathrm {e} ^{\mathrm {i} x}\mathrm {e} ^{-xy}\mathrm {d} x\right)=-\Im m\left(\int _{0}^{+\infty }\mathrm {e} ^{(\mathrm {i} -y)x}\mathrm {d} x\right)\\&=-\Im m\left[{\frac {1}{\mathrm {i} -y}}\mathrm {e} ^{(\mathrm {i} -y)x}\right]_{x=0}^{+\infty }=\Im m\left[{\frac {\mathrm {i} +y}{1+y^{2}}}\mathrm {e} ^{(\mathrm {i} -y)x}\right]_{x=0}^{+\infty }=-{\frac {1}{1+y^{2}}}.\end{aligned}}}
Ainsi,
I
(
y
)
=
−
arctan
(
y
)
+
c
{\displaystyle I(y)=-\arctan(y)+c}
, et faire tendre y vers l'infini permet d'établir que c = π /2 . On en déduit que I (0) = π /2 .
La convergence de
∫
0
+
∞
|
sin
x
|
x
d
x
{\displaystyle \int _{0}^{+\infty }{\frac {|\sin x|}{x}}\,{\textrm {d}}x}
équivaut à celle de la série de terme général positif
u
k
=
∫
k
π
(
k
+
1
)
π
|
sin
x
|
x
d
x
{\displaystyle u_{k}=\int _{k\pi }^{(k+1)\pi }{\frac {|\sin x|}{x}}\,{\textrm {d}}x}
; or d'après la preuve sans mot figurée ci-contre,
u
k
⩾
π
2
1
k
π
+
π
/
2
=
1
2
k
+
1
{\displaystyle u_{k}\geqslant {\frac {\pi }{2}}{\frac {1}{k\pi +\pi /2}}={\frac {1}{2k+1}}}
, d'où la divergence de la série donc de l'intégrale.
↑ Voir par exemple cet exercice corrigé sur Wikiversité .
↑ Mr. Lejeune-Dirichlet, « Sur la convergence des séries trigonométriques qui servent à
représenter une fonction arbitraire entre des limites données », J. reine angew. Math. , vol. 4, 1829 , p. 157-169 (p. 161) (arXiv 0806.1294 ) .
↑ a et b Comme f est nulle à l'infini, pour étudier la limite éventuelle de son intégrale de 0 à a quand a → +∞ , il suffit de le faire pour a parcourant les valeurs d'une suite arithmétique arbitraire.
↑ S. Balac et F. Sturm, Algèbre et analyse : cours de mathématiques de première année avec exercices corrigés , PPUR , 2003 (lire en ligne ) , p. 940 .
↑ Pour cette preuve et une variante, voir le devoir corrigé « Intégrale de Dirichlet » sur Wikiversité .
↑ Voir le devoir corrigé « Intégrale de Dirichlet » sur Wikiversité .
↑ Ce passage à la limite est justifié comme suit dans les p. 6-7 de (en) J. Michael Steele , « A scholium on the integral of
sin
(
x
)
/
x
{\displaystyle \sin(x)/x}
and related topics », sur Wharton School , UPenn , septembre 2014 : d'après la deuxième formule de la moyenne ,
|
∫
a
+
∞
e
−
p
x
x
sin
x
d
x
|
≤
2
e
−
p
a
a
{\displaystyle \left|\int _{a}^{+\infty }{\frac {\operatorname {e} ^{-px}}{x}}\sin x\,\mathrm {d} x\right|\leq 2{\frac {\operatorname {e} ^{-pa}}{a}}}
.
Nino Boccara , Fonctions analytiques [détail de l’édition ]
(de) Hans Fischer, « Die Geschichte des Integrals
∫
0
∞
sin
x
x
d
x
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\sin x}{x}}\,dx}
: eine Geschichte der Analysis in der Nussschale », Math. Semesterber. , vol. 54, no 1, 2007 , p. 13-30