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mathématiques (PT) · Chapitre 7 · Exercice de TD

Une intégrale logarithmique qui vaut -π^2/6

Intégration sur un Intervalle Quelconque et Intégrales à Paramètres · B. Intégration terme à terme : deux sommes remarquables · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Montrer que (développer : les sont positives sur , théorème positif, et : , et admise).

Corrigé

Stratégie : développer en série géométrique, puis échanger somme et intégrale. L'intégrande garde un signe constant sur , ce qui rend le développement inoffensif. L'échange se fait par le théorème d'intégration terme à terme, dont l'hypothèse chiffrée se calcule ici explicitement — et vaut justement , c'est-à-dire le résultat cherché.

1. Intégrabilité. est continue sur , et négative (, ).

  • En : , et est intégrable en (résultat de référence, directement utilisable) : est intégrable sur .
  • En : , donc : c'est un faux problème, se prolonge par continuité en et est intégrable sur .

Donc est intégrable sur .

2. Le développement. Pour , la série géométrique de raison converge :

On a changé de signe pour travailler sur des termes positifs ( et sur ) : la valeur absolue de l'hypothèse disparaît d'elle-même.

3. Calcul de . Le changement de variable , c'est-à-dire , est une bijection de classe strictement décroissante de sur , avec :

Puis ramène à l'intégrale de référence :

4. Vérification des hypothèses du théorème, une par une.

  • chaque est continue par morceaux (elle est continue) sur et intégrable, d'après le calcul du 3 ;
  • la série converge simplement sur , de somme , qui est continue sur ;
  • la série numérique des intégrales des valeurs absolues converge : , la valeur étant admise.

Le théorème d'intégration terme à terme s'applique donc :

et en changeant de signe :

Le point délicat : l'hypothèse porte sur et non sur ; ici les deux coïncident puisque tout est positif, mais c'est ce qui rend le cas d'une série alternée beaucoup plus délicat.

Contrôle chiffré. ; une quadrature numérique de donne : les douze premières décimales coïncident. Deux contrôles de cohérence : le signe est négatif, comme l'intégrande sur tout ; et la taille est plausible, puisque vaut en et croît lentement vers en — une aire de l'ordre de est attendue. On vérifie enfin les 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 standard « série géométrique sous l'intégrale », qui relie intégrales et séries de Riemann.

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