Partie finie
La partie finie d'une intégrale divergente est une régularisation introduite par Hadamard pour donner un sens à certaines intégrales impropres qui divergent. Elle consiste à extraire la valeur finie restante après soustraction des termes divergents. Cette notion est utilisée en théorie des distributions et dans l'étude des intégrales hypersingulières. Elle généralise le concept de valeur principale de Cauchy à des singularités plus fortes.
Sommaire
Ce que vous allez apprendre
- Identifier le terme constant qui demeure après soustraction des divergences.
- Refaire le calcul exact de la partie finie de l'intégrale de 1/x² entre 0 et 1.
- Distinguer intégrale convergente, valeur principale de Cauchy et partie finie.
- Repérer les dépendances à la coupure et les cas où aucun reste stable n'existe.
En clair
Imaginez une aire sous une courbe qui grandit sans borne lorsque son bord se rapproche d'un point singulier. On arrête d'abord le calcul à une petite distance de ce point. Le résultat contient alors une partie qui explose et, parfois, un reste constant.
La partie finie d'Hadamard conserve ce reste après avoir retiré les termes responsables de la divergence. Elle n'affirme pas que l'intégrale ordinaire converge : elle lui associe une valeur régularisée selon une prescription précise.
Définition
La partie finie d'Hadamard s'applique à certaines intégrales impropres divergentes, notamment lorsque l'intégrande présente une singularité trop forte pour la valeur principale de Cauchy. On remplace d'abord le voisinage singulier par une coupure positive, notée ε. On étudie ensuite le développement du résultat lorsque ε tend vers zéro.
Si l'intégrale tronquée, notée I(ε), se décompose en termes divergents D(ε), en une constante C et en un reste qui tend vers zéro, la partie finie est cette constante : . Les puissances négatives de ε et les éventuels logarithmes divergents appartiennent à D(ε) et doivent tous être soustraits.
Cette valeur dépend de la prescription de coupure et de la variable dans laquelle le développement est fixé ; ces données font donc partie du problème. La construction prolonge l'idée de la valeur principale de Cauchy, qui compense surtout des contributions opposées autour d'une singularité. Elle intervient en théorie des distributions et dans l'étude d'intégrales hypersingulières.
Un exemple, pas à pas
Considérons la fonction 1/x2 entre 0 et 1. La borne 0 est singulière. Les données sont la borne supérieure 1, la coupure ε strictement comprise entre 0 et 1, et l'intégrale tronquée I(ε).
1. On remplace la borne 0 par ε.
2. Une primitive de 1/x2 est −1/x.
3. L'évaluation aux bornes donne .
4. On retire le terme divergent 1/ε. Le reste est exactement −1.
2. Une primitive de 1/x2 est −1/x.
3. L'évaluation aux bornes donne .
4. On retire le terme divergent 1/ε. Le reste est exactement −1.
Ainsi, la partie finie vaut −1, bien que l'intégrale impropre ordinaire diverge vers +∞. Le contrôle se refait sans passage à la limite : pour toute coupure ε, la différence I(ε) − 1/ε vaut déjà −1. Avec ε = 1/4, l'intégrale tronquée vaut 3 ; après soustraction de 4, il reste −1.
En pratique
Face à une intégrale impropre, on teste d'abord sa convergence ordinaire. Si elle converge, sa valeur usuelle suffit et aucune partie finie n'est nécessaire.
Lorsque des contributions situées de part et d'autre d'une singularité se compensent, la valeur principale de Cauchy est l'outil naturel. Si des termes plus fortement divergents subsistent, la partie finie les isole dans le développement de l'intégrale tronquée.
En théorie des distributions et pour les intégrales hypersingulières, le geste reste le même : préciser la coupure, identifier tous les termes divergents, puis ne conserver le terme constant que si le développement le détermine.
À ne pas confondre
Intégrale impropre convergente. Sa limite existe sans soustraction. Pour 1/√x entre 0 et 1, la limite est finie ; parler de partie finie n'apporte rien. Pour 1/x2, la limite est infinie et une régularisation devient nécessaire si l'on veut associer un reste.
Valeur principale de Cauchy. Elle repose sur une compensation, typiquement entre les deux côtés d'une singularité avec une coupure symétrique. La partie finie retranche explicitement les termes divergents. Dans l'exemple de 1/x2 au bord de l'intervalle, aucune contribution opposée ne compense 1/ε.
Limites et pièges
Une valeur régularisée n'est pas une aire ordinaire. Dans l'exemple conducteur, l'intégrande est positive mais la partie finie vaut −1. Le signe ne doit donc pas être interprété comme celui d'une aire convergente.
La prescription doit être fixée. Modifier la variable de coupure ou soustraire un terme fini en plus des divergences peut changer la constante conservée. Il faut annoncer la coupure et ne retirer que les termes prescrits par le développement choisi.
Toutes les divergences comptent. Retirer seulement la puissance dominante ne suffit pas si une puissance plus faible ou un logarithme diverge encore. Le symptôme est un reste sans limite lorsque ε tend vers zéro ; il faut compléter la soustraction avant d'extraire le terme constant.
La partie finie peut ne pas exister dans le cadre choisi. Un terme constant nul donne bien une partie finie égale à 0. En revanche, si aucun développement admissible n'est disponible ou si le reste n'a pas de limite après les soustractions autorisées, la procédure ne fournit pas de valeur. Il faut alors préciser un autre schéma de régularisation plutôt que forcer un nombre.
Pour aller plus loin
La Valeur principale montre la régularisation fondée sur une compensation symétrique, utile pour situer ce que la partie finie généralise.
L'article Les distributions : présente le cadre dans lequel des objets singuliers peuvent agir sur des fonctions tests.
La notice Hadamard Jacques replace le mathématicien auquel cette régularisation est attribuée dans son contexte scientifique.
Explorez les mathématiques autrement
Retrouvez nos magazines, podcasts et jeux pour explorer les mathématiques autrement.
Découvrir les offres