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On considère l'intégrale définie par :

I=01etlntdtI = \int_0^1 e^{-t}\ln t   dt

  1. Justifier que la fonction tetlntt \mapsto e^{-t}\ln t est intégrable sur l'intervalle ]0,1]]0, 1].
  2. En utilisant un développement en série entière, exprimer II comme la somme d'une série numérique.
  3. Déterminer une valeur approchée de II par un nombre rationnel avec une précision de 10310^{-3}.

1.

Pour l'intégrabilité, comparer la fonction au voisinage de 00 avec la fonction logarithme pur.

2.

Utiliser le développement en série entière de l'exponentielle et justifier l'interversion de la somme et de l'intégrale (on pourra se ramener à un segment en prolongeant les fonctions par continuité).

3.

Pour le calcul de 01tnlntdt\int_0^1 t^n \ln t   dt, une intégration par parties est efficace.

4.

Utiliser le critère spécial des séries alternées pour majorer le reste et déterminer le rang nécessaire pour la précision demandée.

Idées clés

Intégrabilité par comparaison (équivalents).

Théorème d'intégration terme à terme pour les séries de fonctions.

Intégration par parties pour les moments du logarithme.

Majoration du reste d'une série alternée.

1. Étude de l'intégrabilité.

La fonction f:tetlntf : t \mapsto e^{-t}\ln t est continue sur ]0,1]]0, 1].

Au voisinage de 00, nous avons l'équivalent suivant :

f(t)lntf(t) \sim \ln t

Or, on sait que la fonction tlntt \mapsto \ln t est intégrable sur ]0,1]]0, 1] (sa primitive tlnttt\ln t - t admet une limite finie en 00).

Par comparaison de fonctions de signe constant, ff est intégrable sur ]0,1]]0, 1]. Ainsi :

I est bien deˊfinie.\boxed{I \text{ est bien définie.}}

2. Expression sous forme de série.

Pour tout t]0,1]t \in ]0, 1], on utilise le développement en série entière de l'exponentielle :

et=n=0+(t)nn!e^{-t} = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-t)^n}{n!}

On définit la suite de fonctions (fn)nN(f_n)_{n \in \mathbb{N}} sur ]0,1]]0, 1] par :

fn(t)=(1)nn!tnlntf_n(t) = \frac{(-1)^n}{n!} t^n \ln t

Pour n1n \geq 1, la fonction fnf_n est prolongeable par continuité en 00 car limt0tnlnt=0\lim_{t \to 0} t^n \ln t = 0. De plus, la fonction ttlntt \mapsto |t \ln t| est bornée sur ]0,1]]0, 1] par son maximum atteint en 1/e1/e, noté M=1/eM = 1/e.

On en déduit que pour tout n1n \geq 1 :

fn1n!e\| f_n \|_{\infty} \leq \frac{1}{n! e}

La série de fonctions n1fn\sum_{n \geq 1} f_n converge donc normalement (et donc uniformément) sur [0,1][0, 1]. Par le théorème d'intégration sur un segment, nous pouvons intervertir la somme et l'intégrale pour la partie n1n \geq 1 :

01n=1+fn(t)dt=n=1+01fn(t)dt\int_0^1 \sum_{n=1}^{+\infty} f_n(t)   dt = \sum_{n=1}^{+\infty} \int_0^1 f_n(t)   dt

Le terme n=0n=0 correspondant à f0(t)=lntf_0(t) = \ln t étant intégrable sur ]0,1]]0, 1], on obtient :

I=n=0+(1)nn!01tnlntdtI = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{n!} \int_0^1 t^n \ln t   dt

Calculons l'intégrale générique par parties pour nNn \in \mathbb{N} :

01tnlntdt=[tn+1n+1lnt]0101tnn+1dt=01(n+1)2\int_0^1 t^n \ln t   dt = \left[ \frac{t^{n+1}}{n+1} \ln t \right]_0^1 - \int_0^1 \frac{t^n}{n+1}   dt = 0 - \frac{1}{(n+1)^2}

En réinjectant ce résultat :

I=n=0+(1)nn!(1(n+1)2)=n=0+(1)n+1(n+1)!(n+1)I = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^n}{n!} \left( - \frac{1}{(n+1)^2} \right) = \sum_{n=0}^{+\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{(n+1)! (n+1)}

En posant le changement d'indice k=n+1k = n+1, nous obtenons :

I=k=1+(1)kkk!\boxed{I = \sum_{k=1}^{+\infty} \frac{(-1)^k}{k \cdot k!}}

3. Approximation numérique.

La série obtenue est une série alternée (1)kak\sum (-1)^k a_k avec ak=1kk!a_k = \frac{1}{k \cdot k!}. La suite (ak)k1(a_k)_{k \geq 1} est positive, décroissante et tend vers 00.

D'après le critère spécial des séries alternées (CSSA), le reste d'ordre NN, RN=k=N+1+(1)kakR_N = \sum_{k=N+1}^{+\infty} (-1)^k a_k, est majoré en valeur absolue par le premier terme négligé :

RNaN+1=1(N+1)(N+1)!|R_N| \leq a_{N+1} = \frac{1}{(N+1)(N+1)!}

On cherche NN tel que aN+1103a_{N+1} \leq 10^{-3}, soit (N+1)(N+1)!1000(N+1)(N+1)! \geq 1000.

  • Pour N=4N=4, a5=15120=1600>103a_5 = \frac{1}{5 \cdot 120} = \frac{1}{600} > 10^{-3}.
  • Pour N=5N=5, a6=16720=14320103a_6 = \frac{1}{6 \cdot 720} = \frac{1}{4320} \leq 10^{-3}.

Une valeur approchée à 10310^{-3} près est donc donnée par la somme partielle S5S_5 :

S5=k=15(1)kkk!=1+14118+1961600S_5 = \sum_{k=1}^5 \frac{(-1)^k}{k \cdot k!} = -1 + \frac{1}{4} - \frac{1}{18} + \frac{1}{96} - \frac{1}{600}

Réduisons au même dénominateur (72007200) :

S5=7200+1800400+75127200=57377200S_5 = \frac{-7200 + 1800 - 400 + 75 - 12}{7200} = -\frac{5737}{7200}

I573772000,7968\boxed{I \approx -\frac{5737}{7200} \approx -0,7968}

Justification rigoureuse de l'interversion somme-intégrale sur un intervalle non compact.

Formule des moments du logarithme : intégrale de t^n ln(t) sur [0,1].