Une intégrale logarithmique qui vaut
Application directe du cours · niveau 3 (difficile) · mathématiques (PC), chapitre 9 — Intégration sur un Intervalle Quelconque et Intégrales à Paramètres · Autres exercices résolus, par thème du cours
Énoncé
Montrer que (développer ; les fonctions sont positives sur , d'intégrale ; vérifier les hypothèses du théorème d'intégration terme à terme ; la valeur est admise).
Corrigé
Stratégie : développer en série géométrique, puis échanger somme et intégrale. L'intégrande garde un signe constant sur . L'échange se justifie par le théorème d'intégration terme à terme — le seul que connaisse le programme de PC —, dont l'hypothèse se calcule ici explicitement.
1. Intégrabilité. est continue et négative sur .
- En : , et est intégrable en (fonction de référence) : est intégrable sur .
- En : , donc : c'est un faux problème, se prolonge par continuité en .
Donc est intégrable sur .
2. Le développement. Pour , la série géométrique de raison converge, et
On a changé de signe pour travailler sur des termes positifs : .
3. Calcul de . Le changement de variable , bijection de classe strictement décroissante de sur , avec , puis , donnent
car, par une intégration par parties au crochet nul, .
4. Les hypothèses du théorème, une par une.
- chaque est continue et intégrable sur (calcul du 3) ;
- converge simplement sur vers , qui y est continue ;
- (série de Riemann).
Le théorème d'intégration terme à terme donne
la valeur étant admise ; en changeant de signe, .
Le point délicat : l'hypothèse porte sur , et non sur ; ici les deux coïncident parce que tout est positif. Pour une série alternée, comme celle qui donne , la série des peut diverger : on domine alors les sommes partielles.
Contrôle chiffré. , et une quadrature numérique de l'intégrale donne la même valeur à douze décimales. Premiers termes : , , , conformes à .
Ce qui est acquis. Sur des termes positifs, l'hypothèse se calcule, et le calcul donne le résultat : c'est le mécanisme « série géométrique sous l'intégrale », qui relie intégrales et séries de Riemann.
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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.