On considère l'intégrale définie par :
Pour l'intégrabilité, comparer la fonction au voisinage de avec la fonction logarithme pur.
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).
Pour le calcul de , une intégration par parties est efficace.
Utiliser le critère spécial des séries alternées pour majorer le reste et déterminer le rang nécessaire pour la précision demandée.
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 est continue sur .
Au voisinage de , nous avons l'équivalent suivant :
Or, on sait que la fonction est intégrable sur (sa primitive admet une limite finie en ).
Par comparaison de fonctions de signe constant, est intégrable sur . Ainsi :
2. Expression sous forme de série.
Pour tout , on utilise le développement en série entière de l'exponentielle :
On définit la suite de fonctions sur par :
Pour , la fonction est prolongeable par continuité en car . De plus, la fonction est bornée sur par son maximum atteint en , noté .
On en déduit que pour tout :
La série de fonctions converge donc normalement (et donc uniformément) sur . Par le théorème d'intégration sur un segment, nous pouvons intervertir la somme et l'intégrale pour la partie :
Le terme correspondant à étant intégrable sur , on obtient :
Calculons l'intégrale générique par parties pour :
En réinjectant ce résultat :
En posant le changement d'indice , nous obtenons :
3. Approximation numérique.
La série obtenue est une série alternée avec . La suite est positive, décroissante et tend vers .
D'après le critère spécial des séries alternées (CSSA), le reste d'ordre , , est majoré en valeur absolue par le premier terme négligé :
On cherche tel que , soit .
Une valeur approchée à près est donc donnée par la somme partielle :
Réduisons au même dénominateur () :
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].