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Intégration <FONT color="red"><b>(il faut avoir étudier au préalable le chapitre Primitives)</b></FONT>

Une technique simple - Exercice 1

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Cet exercice illustre une technique simple qui, parfois, permet de conclure sur des limites d'intégrales.
Question 1
Soit nn un nombre entier naturel.
On pose :
In=01xnln(1+x2)dxI_n = \int_0^1 x^n \ln\big( 1 + x^2 \big) \, dx

Déterminer, si elle existe, la limite \ell suivante :
=limn+In\ell = \lim_{n \longrightarrow + \infty} I_n

Correction
On a :
0x10x2111+x220 \leqslant x \leqslant 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 \leqslant x^2 \leqslant 1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 1 \leqslant 1 + x^2 \leqslant 2
La fonction logarithme népérien est croissante sur l'intervalle [1;2][1\,;\,2], donc elle conserve l'ordre sur cet intervalle. Ainsi :
ln(1)ln(1+x2)ln(2)0ln(1+x2)ln(2)\ln(1) \leqslant \ln\big(1 + x^2\big) \leqslant \ln(2) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 \leqslant \ln\big(1 + x^2\big) \leqslant \ln(2)
Donc, en multipliant par le terme positif xnx^n (car x[0;1]x \in [0 \,;\, 1]), on a :
0xnln(1+x2)xnln(2)0 \leqslant x^n \ln\big(1 + x^2\big) \leqslant x^n\ln(2)
Donc, par intégration :
010dx01xnln(1+x2)dx01xnln(2)dx\int_0^1 0 \, dx \leqslant \int_0^1 x^n \ln\big(1 + x^2\big) \, dx \leqslant \int_0^1 x^n\ln(2) \, dx
D'où :
0Inln(2)01xndx0 \leqslant I_n \leqslant \ln(2) \int_0^1 x^n \, dx
Avec :
01xndx=[xn+1n+1]01=1n+1n+10n+1n+1=1n+10n+1=1n+10=1n+1\int_0^1 x^n \, dx = \left[ \dfrac{x^{n+1}}{n+1} \right]_0^1 = \dfrac{1^{n+1}}{n+1} - \dfrac{0^{n+1}}{n+1} = \dfrac{1}{n+1} - \dfrac{0}{n+1} = \dfrac{1}{n+1} - 0 = \dfrac{1}{n+1}
Donc, on a :
0Inln(2)1n+10 \leqslant I_n \leqslant \ln(2) \dfrac{1}{n+1}
Or, on a limn+0=limn+(ln(2)1n+1)=ln(2)limn+(1n+1)=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} 0 = \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \ln(2) \dfrac{1}{n+1} \right) = \ln(2) \lim_{n \longrightarrow + \infty} \left( \dfrac{1}{n+1} \right)= 0. D'après le théorème de l'encadrement, on en déduit que :
limn+In=0\lim_{n \longrightarrow + \infty} I_n = 0
Finalement :
=0\ell = 0