Développement asymptotique de l’intégrale ∫ ⁡sin ⁡ t t dt
Yves Coudene 16/10/03

L’intégrale ∫ ⁡0Nsin ⁡ t t dt tend vers π∕2 lorsque N tend vers l’ infini. Quitte à faire quelques calculs, on peut obtenir un développement asymptotique complet :

∫ ⁡0Nsin ⁡t t dt = ∫ ⁡0N ( ∫ ⁡0∞e−txdx )sin ⁡tdt = ∫ ⁡0∞∫ ⁡0Ne−tx sin ⁡tdtdx

L’intégrale ∫ ⁡0Ne−tx sin ⁡tdt se calcule explicitement à l’aide des complexes :

∫ 0Ne−tx sintdt = Im (∫ 0Ne−tx+itdt ) = 1 1 + x2 − e−Nx 1 + x2(cosN + xsinN)

On obtient donc :

∫ ⁡0Nsin ⁡t t dt=π 2 −∫ ⁡0∞ e−Nx 1 + x2(cos ⁡N + xsin ⁡N)dx, v = Nx =π 2 −cos ⁡N N ∫ ⁡0∞ e−v 1 + v2 N2 dv −sin ⁡N N2 ∫ ⁡0∞ ve−v 1 + v2 N2 dv

On utilise maintenant le développement en série de 1 1+x2 , dont le reste est explicite :
1 1 + v2 N2 = ∑ ⁡ k=0K ( − v2 N2 )k + ( − v2 N2 )K+1 1 + v2 N2 ,

∫ ⁡0∞ e−v 1 + v2 N2 dv = ∑ ⁡ k=0K(−1)k N2k ∫ ⁡0∞v2ke−vdv︸ =(2k)!+ 1 N2k+2∫ ⁡0∞(−v2)K+1e−v 1 + v2 N2 dv︸ ||≤(2K+2)!

∫ ⁡0∞ e−v 1 + v2 N2 dv = ∑ ⁡ k=0K(−1)k N2k (2k)! + o ( 1 N2K )
∫ ⁡0∞ ve−v 1 + v2 N2 dv = ∑ ⁡ k=0K(−1)k N2k (2k + 1)! + o ( 1 N2K )

Résultat :

∫ 0Nsint t dt=π 2 −∑ k=0K(−1)k [(2k)! cosN N2k+1 + (2k + 1)! sinN N2k+2 ] + o ( 1 N2K+2 ) =π 2 −cos ⁡N N −sin ⁡N N2 + 2cos ⁡N N3 + 6sin ⁡N N4 + o ( 1 N4 )

Ce développement illustre les points suivants :
– utilisation de la transformée de Laplace ;
– calcul d’intégrales réelles en passant dans le domaine complexe ;
– fonction Gamma ;
– obtention d’une asymptotique en mettant l’expression à évaluer sous la forme d’une intégrale dépendant d’un paramètre ;
– obtention d’un reste sous forme intégrale, ce qui permet d’obtenir des équivalents, mais aussi des encadrements.
Enfin pour finir, il faut remarquer que la série obtenue est divergente.