Exercice 3

Durée : 6 mn

Note maximale : 5

Question

Étudier la nature de l'intégrale impropre \(\displaystyle{\int_{0}^{1}\frac{\ln t\ln(1-t)}{t}dt}\)

Utiliser un équivalent de la fonction au voisinage de \(1\).

Solution

L’intégrale est convergente.

La fonction \(\displaystyle{x\mapsto\frac{\ln x\ln(1-x)}{x}}\) est continue donc localement intégrable sur l’intervalle \(]0,1[\) où elle est positive.

[0.5 point]

Quand \(x\) tend vers \(0\), on a \(\displaystyle{\lim_{x\rightarrow0}\frac{\ln(1-x)}{x}=-1}\) et donc \(\displaystyle{\frac{\ln x\ln(1-x)}{x}\sim-\ln x}\). L’intégrale \(\displaystyle{\int_{0}^{1}\ln t~dt}\) étant convergente, il en est de même de l’intégrale considérée pour la borne \(0\).

[1 point]

Quand \(x\) tend vers \(1\), \(\displaystyle{\frac{\ln x\ln(1-x)}{x}\sim\ln x\ln(1-x)}\). Pour étudier le comportement de la fonction au voisinage de \(1\), on pose : \(u=1-x\). On est amené à étudier \(\ln u\ln(1-u)\) au voisinage de \(0\).

[1 point]

On a donc \(\displaystyle{\lim_{u\rightarrow0}u\ln u=0}\). La fonction \(\displaystyle{x\mapsto\frac{\ln x\ln(1-x)}{x}}\) est prolongeable par continuité en \(1\), et il n’y a pas au voisinage de cette borne de problème de convergence.

[2 points]

En conclusion, l’intégrale \(\displaystyle{\int_{0}^{1}\frac{\ln t\ln(1-t)}{t}dt}\) est convergente.

[0.5 point]