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On considère l'intégrale généralisée suivante :

J=0+ln(tanh(t))dtJ = \int_{0}^{+\infty} \ln (\tanh(t))   dt
Pour tout réel x0x \geq 0, on définit également la somme de la série :
S(x)=n=0+e(2n+1)x(2n+1)2S(x) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{e^{-(2n+1)x}}{(2n+1)^2}

  1. Justifier l'existence de l'intégrale JJ.
  2. En utilisant un développement en série entière, démontrer la relation suivante :
    J=S(0)\boxed{J = -S(0)}

1.

Pour la convergence de JJ, étudier le comportement de l'intégrande au voisinage de 00 (équivalent usuel de tanh\tanh) et au voisinage de ++\infty (utiliser la forme exponentielle).

2.

Pour le calcul, exprimer tanh(t)\tanh(t) à l'aide de e2te^{-2t} et utiliser les développements en série entière de ln(1u)\ln(1-u) et ln(1+u)\ln(1+u).

3.

Justifier soigneusement l'intégration terme à terme (par exemple via le théorème d'intégration terme à terme pour les fonctions positives ou le théorème de convergence monotone).

Idées clés

Étude locale des intégrales généralisées (comparaison et équivalents).

Développement en série de fonctions et intégration terme à terme.

Manipulation des fonctions hyperboliques sous forme exponentielle.

Résolution.

  1. Existence de l'intégrale JJ. Soit f:tln(tanh(t))f : t \mapsto \ln(\tanh(t)). La fonction ff est continue sur ]0,+[]0, +\infty[. Au voisinage de 00 : On sait que tanh(t)t\tanh(t) \sim t. Par composition des équivalents :
    f(t)ln(t)f(t) \sim \ln(t)
    La fonction tln(t)t \mapsto \ln(t) est intégrable au voisinage de 00. Par le théorème de comparaison des fonctions de signe constant (ici f<0f < 0), ff est intégrable au voisinage de 00. Au voisinage de ++\infty : On exprime tanh(t)\tanh(t) avec des exponentielles :
    tanh(t)=1e2t1+e2t\tanh(t) = \frac{1 - e^{-2t}}{1 + e^{-2t}}
    Comme e2t0e^{-2t} \to 0 quand t+t \to +\infty, on a par développement limité :
    tanh(t)=(1e2t)(1+e2t)1=(1e2t)(1e2t+o(e2t))=12e2t+o(e2t)\tanh(t) = (1 - e^{-2t})(1 + e^{-2t})^{-1} = (1 - e^{-2t})(1 - e^{-2t} + o(e^{-2t})) = 1 - 2e^{-2t} + o(e^{-2t})
    Ainsi, tanh(t)=12e2t+o(e2t)\tanh(t) = 1 - 2e^{-2t} + o(e^{-2t}). On en déduit :
    ln(tanh(t))=ln(12e2t+o(e2t))2e2t\ln(\tanh(t)) = \ln(1 - 2e^{-2t} + o(e^{-2t})) \sim -2e^{-2t}
    La fonction te2tt \mapsto e^{-2t} est intégrable au voisinage de ++\infty. Par comparaison, ff est intégrable au voisinage de ++\infty. \medskip \boxed{\text{L'intégrale } J \text{ est donc convergente.}}

  2. Calcul de JJ. Utilisons l'expression de tanh(t)\tanh(t) obtenue précédemment :
    ln(tanh(t))=ln(1e2t)ln(1+e2t)\ln(\tanh(t)) = \ln(1 - e^{-2t}) - \ln(1 + e^{-2t})
    Pour tout t>0t > 0, on a u=e2t]0,1[u = e^{-2t} \in ]0, 1[. On utilise les développements en série entière :
    ln(1u)=k=1+ukketln(1+u)=k=1+(1)k1ukk\ln(1-u) = -\sum_{k=1}^{+\infty} \frac{u^k}{k}   \text{et}   \ln(1+u) = \sum_{k=1}^{+\infty} (-1)^{k-1} \frac{u^k}{k}
    On en déduit :
    ln(tanh(t))=k=1+e2ktkk=1+(1)k1e2ktk=k=1+e2ktk(1(1)k1)\ln(\tanh(t)) = -\sum_{k=1}^{+\infty} \frac{e^{-2kt}}{k} - \sum_{k=1}^{+\infty} (-1)^{k-1} \frac{e^{-2kt}}{k} = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{e^{-2kt}}{k} \left( -1 - (-1)^{k-1} \right)
    Simplifions le terme entre parenthèses : 1(1)k1=1+(1)k-1 - (-1)^{k-1} = -1 + (-1)^k.
    • Si kk est pair (k=2nk=2n), alors 1+(1)2n=0-1 + (-1)^{2n} = 0.
    • Si kk est impair (k=2n+1k=2n+1), alors 1+(1)2n+1=2-1 + (-1)^{2n+1} = -2.
    On obtient donc :
    ln(tanh(t))=2n=0+e2(2n+1)t2n+1\ln(\tanh(t)) = -2 \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{e^{-2(2n+1)t}}{2n+1}
    Notons gn(t)=2e2(2n+1)t2n+1g_n(t) = -2 \frac{e^{-2(2n+1)t}}{2n+1}. Chaque fonction gng_n est continue, intégrable sur ]0,+[]0, +\infty[ et de signe constant (négatif). D'après le théorème d'intégration terme à terme pour les fonctions de signe constant (ou par convergence monotone sur gn-g_n), on peut intervertir :
    J=n=0+0+2e2(2n+1)t2n+1dtJ = \sum_{n=0}^{+\infty} \int_{0}^{+\infty} -2 \frac{e^{-2(2n+1)t}}{2n+1}   dt
    Calculons l'intégrale élémentaire :
    0+e2(2n+1)tdt=[e2(2n+1)t2(2n+1)]0+=12(2n+1)\int_{0}^{+\infty} e^{-2(2n+1)t}   dt = \left[ \frac{e^{-2(2n+1)t}}{-2(2n+1)} \right]_{0}^{+\infty} = \frac{1}{2(2n+1)}
    On remplace dans la somme :
    J=n=0+22n+112(2n+1)=n=0+1(2n+1)2J = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{-2}{2n+1} \cdot \frac{1}{2(2n+1)} = -\sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{(2n+1)^2}
    On reconnaît S(0)=n=0+1(2n+1)2S(0) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{1}{(2n+1)^2}.
    J=S(0)\boxed{J = -S(0)}

Justification de l'interversion intégrale-somme en l'absence de convergence uniforme sur l'intervalle non borné.

Transformation des fonctions hyperboliques en exponentielles pour les développements en série.