Exercice 14-12
Montrer que pour tout \(x\in \mathbb{R}\), le nombre \(\Phi(x)\) ci-dessous est bien défini: \[\Phi(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^x e^{-t^2/2}\,dt\,.\]

Remarque: En théorie des probabilités (et statistiques), \(\Phi(x)\) est appelée la fonction de répartition de la variable aléatoire Gaussienne de distribution \(\mathcal{N}(0,1)\).

Il s'agit donc de montrer que l'intégrale généralisée qui définit \(\Phi(x)\) est convergente pour tout \(x\in\mathbb{R}\).

On pourra utiliser une comparaison en remarquant que \(t^2\geqslant |t|\) dès que \(|t|\geqslant 1\).

Remarquons que pour tout \(x\in \mathbb{R}\), on peut toujours décomposer \[ \Phi(x) =\int_{-\infty}^x e^{-t^2/2}\,dt =\int_{-\infty}^{-1} e^{-t^2/2}\,dt +\int_{-1}^x e^{-t^2/2}\,dt\,. \] La deuxième intégrale étant toujours une intégrale de Riemann/Darboux finie, elle ne pose pas de problème. Ce que l'on doit vérifier c'est que la première, qui par parité peut s'écrire \[ \int_{-\infty}^{-1} e^{-t^2/2}\,dt=\int_{1}^{\infty} e^{-t^2/2}\,dt\,, \] est convergente. Comme on ne sait pas calculer de primitive pour \(e^{-t^2/2}\), on montre que cette dernière est finie par comparaison. En effet, on peut écrire que \(t^2\geqslant t\) dès que \(t\geqslant 1\), ce qui entraîne \(0\leqslant e^{-t^2/2}\leqslant e^{-t/2}\) pour tout \(t\geqslant 1\). Mais comme \[ \int_1^\infty e^{-t/2}\,dt = \lim_{L\to\infty}\int_1^L e^{-t/2}\,dt = \lim_{L\to\infty} (-2e^{-t/2})\Big|_1^L =2/\sqrt{e}\,, \] qui est finie, on a que \(\int_{-\infty}^{-1} e^{-t^2/2}\,dt\) converge aussi.