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On considère la fonction ff définie pour tout t≥0t \geq 0 par la somme de la série :

f(t)=∑n=1+∞(−1)n−1ln⁡(1+tn)f(t) = \sum_{n=1}^{+\infty} (-1)^{n-1} \ln \left(1 + \frac{t}{n}\right)

  1. Justifier que ff est bien définie sur [0,+∞[[0, +\infty[, puis montrer que ff est de classe C1\mathcal{C}^1 sur cet intervalle.
  2. Établir que pour tout x≥0x \geq 0, la dérivée de ff admet la représentation intégrale suivante :
    f′(x)=∫01tx1+t dtf'(x) = \int_{0}^{1} \frac{t^{x}}{1+t}   \mathrm{d}t
  3. Déterminer un équivalent de f(x)f(x) lorsque x→0+x \to 0^+.
  4. Déterminer un équivalent de f(x)f(x) lorsque x→+∞x \to +\infty.

1.

Pour la régularité, utiliser le critère spécial des séries alternées pour prouver la convergence uniforme de la série des dérivées.

2.

Pour la représentation intégrale, utiliser le développement en série entière de 11+t\frac{1}{1+t} et justifier l'interversion somme-intégrale.

3.

En 00, utiliser le caractère C1\mathcal{C}^1 de ff.

4.

En +∞+\infty, chercher d'abord un équivalent de f′f' en remarquant que le poids de l'intégrale se concentre au voisinage de 11.

Idées clés

•

Critère Spécial des Séries Alternées (CSSA) pour la convergence uniforme.

•

Théorème de dérivation des séries de fonctions.

•

Sommation géométrique et interversion via le reste.

•

Intégration des relations de comparaison.

Résolution.

  1. Étude de la régularité de ff. Posons un(t)=(−1)n−1ln⁡(1+tn)u_n(t) = (-1)^{n-1} \ln \left(1 + \frac{t}{n}\right) pour n≥1n \geq 1 et t∈[0,+∞[t \in [0, +\infty[. Pour tt fixé, la suite (ln⁡(1+t/n))n≥1(\ln(1 + t/n))_{n \geq 1} est positive, décroissante et converge vers 00. D'après le critère spécial des séries alternées, la série ∑un(t)\sum u_n(t) converge simplement sur [0,+∞[[0, +\infty[. Les fonctions unu_n sont de classe C1\mathcal{C}^1 sur [0,+∞[[0, +\infty[ avec :
    un′(t)=(−1)n−1n+tu_n'(t) = \frac{(-1)^{n-1}}{n+t}
    Pour tout t≥0t \geq 0, la suite (1/(n+t))n≥1(1/(n+t))_{n \geq 1} est positive, décroissante et tend vers 00. Le CSSA s'applique à la série des dérivées ∑un′(t)\sum u_n'(t). Il fournit en outre une majoration du reste :
    ∀t≥0,∣∑k=n+1+∞(−1)k−1k+t∣≤1n+1+t≤1n+1\forall t \geq 0,   \left| \sum_{k=n+1}^{+\infty} \frac{(-1)^{k-1}}{k+t} \right| \leq \frac{1}{n+1+t} \leq \frac{1}{n+1}
    Cette majoration est indépendante de tt, donc la série ∑un′\sum u_n' converge uniformément sur [0,+∞[[0, +\infty[. Comme ∑un\sum u_n converge en 00 (somme nulle) et que ∑un′\sum u_n' converge uniformément sur [0,+∞[[0, +\infty[, le théorème de dérivation des séries assure que ff est C1\mathcal{C}^1 sur [0,+∞[[0, +\infty[ et :
    ∀x≥0,f′(x)=∑n=1+∞(−1)n−1x+n\forall x \geq 0,   \boxed{f'(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{x+n}}

  2. Représentation intégrale de la dérivée. Utilisons la relation 1x+n=∫01tx+n−1 dt\frac{1}{x+n} = \int_{0}^{1} t^{x+n-1}   \mathrm{d}t pour x≥0x \geq 0. On a :
    ∑n=1N(−1)n−1x+n=∑n=1N∫01(−1)n−1tx+n−1 dt=∫01tx∑k=0N−1(−t)k dt\sum_{n=1}^{N} \frac{(-1)^{n-1}}{x+n} = \sum_{n=1}^{N} \int_{0}^{1} (-1)^{n-1} t^{x+n-1}   \mathrm{d}t = \int_{0}^{1} t^x \sum_{k=0}^{N-1} (-t)^k   \mathrm{d}t
    En utilisant la somme des termes d'une suite géométrique :
    ∑n=1N(−1)n−1x+n=∫01tx1−(−t)N1+t dt=∫01tx1+t dt−∫01(−t)Ntx1+t dt\sum_{n=1}^{N} \frac{(-1)^{n-1}}{x+n} = \int_{0}^{1} t^x \frac{1 - (-t)^N}{1+t}   \mathrm{d}t = \int_{0}^{1} \frac{t^x}{1+t}   \mathrm{d}t - \int_{0}^{1} \frac{(-t)^N t^x}{1+t}   \mathrm{d}t
    Estimons le reste :
    ∣∫01(−t)Ntx1+t dt∣≤∫01tN+x dt=1N+x+1→N→+∞0\left| \int_{0}^{1} \frac{(-t)^N t^x}{1+t}   \mathrm{d}t \right| \leq \int_{0}^{1} t^{N+x}   \mathrm{d}t = \frac{1}{N+x+1} \xrightarrow[N \to +\infty]{} 0
    En passant à la limite quand N→+∞N \to +\infty, on obtient :
    f′(x)=∫01tx1+t dt\boxed{f'(x) = \int_{0}^{1} \frac{t^{x}}{1+t}   \mathrm{d}t}

  3. Équivalent en 0+0^+. La fonction ff étant C1\mathcal{C}^1 en 00, on a f(x)=f(0)+xf′(0)+o(x)f(x) = f(0) + x f'(0) + o(x). Or f(0)=0f(0) = 0 et :
    f′(0)=∫0111+t dt=[ln⁡(1+t)]01=ln⁡2f'(0) = \int_{0}^{1} \frac{1}{1+t}   \mathrm{d}t = \left[ \ln(1+t) \right]_0^1 = \ln 2
    Comme ln⁡2≠0\ln 2 \neq 0, on en déduit l'équivalent :
    f(x)∼x→0+xln⁡2\boxed{f(x) \underset{x \to 0^+}{\sim} x \ln 2}

  4. Équivalent en +∞+\infty. Cherchons d'abord un équivalent de f′(x)f'(x). Lorsque x→+∞x \to +\infty, l'intégrale ∫01tx1+t dt\int_{0}^{1} \frac{t^x}{1+t}   \mathrm{d}t se concentre au voisinage de 11. En t=1t=1, la fonction t↦1/(1+t)t \mapsto 1/(1+t) vaut 1/21/2. Comparons f′(x)f'(x) à ∫01tx2 dt=12(x+1)\int_0^1 \frac{t^x}{2}   \mathrm{d}t = \frac{1}{2(x+1)} :
    ∣f′(x)−12(x+1)∣=∣∫01tx(11+t−12) dt∣=∫01tx(1−t)2(1+t) dt\left| f'(x) - \frac{1}{2(x+1)} \right| = \left| \int_{0}^{1} t^x \left( \frac{1}{1+t} - \frac{1}{2} \right)   \mathrm{d}t \right| = \int_{0}^{1} \frac{t^x(1-t)}{2(1+t)}   \mathrm{d}t
    On majore brutalement par 12∫01tx(1−t) dt=12(1x+1−1x+2)=12(x+1)(x+2)=O(1x2)\frac{1}{2} \int_0^1 t^x(1-t)   \mathrm{d}t = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x+1} - \frac{1}{x+2} \right) = \frac{1}{2(x+1)(x+2)} = O\left(\frac{1}{x^2}\right). Ainsi, f′(x)=12x+O(1x2)f'(x) = \frac{1}{2x} + O\left(\frac{1}{x^2}\right), d'où f′(x)∼x→+∞12xf'(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{1}{2x}. Comme la fonction x↦12xx \mapsto \frac{1}{2x} est positive et de primitive divergente en +∞+\infty, le théorème d'intégration des relations de comparaison s'applique :
    f(x)=f(1)+∫1xf′(t) dt∼x→+∞∫1x12t dt=12ln⁡xf(x) = f(1) + \int_{1}^{x} f'(t)   \mathrm{d}t \underset{x \to +\infty}{\sim} \int_{1}^{x} \frac{1}{2t}   \mathrm{d}t = \frac{1}{2} \ln x
    L'équivalent est donc :
    f(x)∼x→+∞12ln⁡x\boxed{f(x) \underset{x \to +\infty}{\sim} \frac{1}{2} \ln x}

Vérifier la divergence de l'intégrale avant d'intégrer un équivalent.

Méthode de concentration de la masse pour les intégrales dépendant d'un paramètre tendant vers l'infini.