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Soit xx un nombre réel. On s'intéresse au calcul de l'intégrale suivante :

I(x)=∫02πln⁡(x2−2xcos⁡(θ)+1)dθI(x) = \int_{0}^{2 \pi} \ln \left(x^{2}-2 x \cos (\theta)+1\right) \mathrm{d} \theta

  1. Montrer que si ∣x∣<1|x| < 1, alors I(x)=0I(x) = 0.
  2. En déduire la valeur de I(x)I(x) dans le cas où ∣x∣>1|x| > 1.

1.

Pour la première question, on pourra utiliser le développement en série entière de la fonction z↦ln⁡(1−z)z \mapsto \ln(1-z) sur le disque unité ouvert, en posant z=xeiθz = x e^{i\theta}.

2.

Justifier soigneusement l'intégration terme à terme en étudiant la convergence de la série de fonctions obtenue.

3.

Pour le cas ∣x∣>1|x| > 1, on pourra factoriser l'expression sous le logarithme par x2x^2 pour se ramener au cas précédent.

Idées clés

•

Passage au complexe : x2−2xcos⁡θ+1=∣1−xeiθ∣2x^2 - 2x\cos\theta + 1 = |1 - x e^{i\theta}|^2.

•

Développement en série entière du logarithme complexe.

•

Théorème d'intégration terme à terme pour les séries de fonctions (convergence normale).

Résolution.

  1. Cas ∣x∣<1|x| < 1 : Remarquons d'abord que pour tout θ∈R\theta \in \mathbb{R}, le complexe z=xeiθz = x e^{i\theta} vérifie ∣z∣=∣x∣<1|z| = |x| < 1. L'expression sous le logarithme se factorise de la manière suivante :
    x2−2xcos⁡θ+1=(1−xeiθ)(1−xe−iθ)=∣1−xeiθ∣2x^2 - 2x\cos\theta + 1 = (1 - x e^{i\theta})(1 - x e^{-i\theta}) = \left| 1 - x e^{i\theta} \right|^2

    Ainsi, en utilisant les propriétés du logarithme, on obtient :

    ln⁡(x2−2xcos⁡θ+1)=ln⁡(∣1−xeiθ∣2)=2Re(ln⁡(1−xeiθ))\ln(x^2 - 2x\cos\theta + 1) = \ln\left( \left| 1 - x e^{i\theta} \right|^2 \right) = 2 \text{Re}\left( \ln(1 - x e^{i\theta}) \right)

    Comme ∣xeiθ∣<1|x e^{i\theta}| < 1, on peut utiliser le développement en série entière du logarithme :

    ln⁡(1−xeiθ)=−∑n=1+∞(xeiθ)nn=−∑n=1+∞xneinθn\ln(1 - x e^{i\theta}) = - \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{(x e^{i\theta})^n}{n} = - \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x^n e^{in\theta}}{n}

    En prenant la partie réelle, il vient :

    ln⁡(x2−2xcos⁡θ+1)=−2∑n=1+∞xncos⁡(nθ)n\ln(x^2 - 2x\cos\theta + 1) = -2 \sum_{n=1}^{+\infty} \frac{x^n \cos(n\theta)}{n}

    Posons un(θ)=−2xncos⁡(nθ)nu_n(\theta) = -2 \frac{x^n \cos(n\theta)}{n}. Pour tout θ∈[0,2π]\theta \in [0, 2\pi], on a :

    ∣un(θ)∣≤2∣x∣nn|u_n(\theta)| \le \frac{2|x|^n}{n}

    Comme ∣x∣<1|x| < 1, la série numérique ∑∣x∣nn\sum \frac{|x|^n}{n} converge. La série de fonctions ∑un\sum u_n converge donc normalement (et donc uniformément) sur [0,2π][0, 2\pi].

    On peut donc intégrer terme à terme :

    I(x)=∑n=1+∞∫02π−2xncos⁡(nθ)ndθI(x) = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_{0}^{2 \pi} -2 \frac{x^n \cos(n\theta)}{n} \mathrm{d}\theta

    Or, pour tout n∈N∗n \in \mathbb{N}^*, on sait que :

    ∫02πcos⁡(nθ)dθ=[sin⁡(nθ)n]02π=0\int_{0}^{2 \pi} \cos(n\theta) \mathrm{d}\theta = \left[ \frac{\sin(n\theta)}{n} \right]_0^{2\pi} = 0

    On en déduit immédiatement le résultat pour le premier cas :

    I(x)=0\boxed{I(x) = 0}

  2. Cas ∣x∣>1|x| > 1 : Supposons maintenant que ∣x∣>1|x| > 1. On peut factoriser par x2x^2 dans l'argument du logarithme :
    x2−2xcos⁡θ+1=x2(1−2xcos⁡θ+1x2)x^2 - 2x\cos\theta + 1 = x^2 \left( 1 - \frac{2}{x}\cos\theta + \frac{1}{x^2} \right)

    En utilisant la linéarité de l'intégrale et les propriétés du logarithme :

    I(x)=∫02πln⁡(x2)dθ+∫02πln⁡(1−21xcos⁡θ+1x2)dθI(x) = \int_{0}^{2 \pi} \ln(x^2) \mathrm{d}\theta + \int_{0}^{2 \pi} \ln\left( 1 - 2\frac{1}{x}\cos\theta + \frac{1}{x^2} \right) \mathrm{d}\theta

    La première intégrale est immédiate car le terme est constant par rapport à θ\theta :

    ∫02πln⁡(x2)dθ=2πln⁡(x2)=4πln⁡∣x∣\int_{0}^{2 \pi} \ln(x^2) \mathrm{d}\theta = 2\pi \ln(x^2) = 4\pi \ln|x|

    La seconde intégrale correspond exactement à I(1/x)I(1/x). Comme ∣x∣>1|x| > 1, on a ∣1/x∣<1|1/x| < 1. D'après la question précédente, on a donc I(1/x)=0I(1/x) = 0.

    Finalement, on obtient :

    I(x)=4πln⁡∣x∣\boxed{I(x) = 4\pi \ln|x|}

Oubli du facteur 2 ou défaut de justification de l'interversion intégrale/somme.

Passage par le logarithme complexe pour linéariser des expressions du type ln(1 - 2x cos theta + x^2).