Exercice 4 : Déterminer la nature de l'intégrale généralisée ∫1+∞ln⁡(x)x2 dx\int_1^{+\infty} \dfrac{\ln(x)}{x^2} \, dx - Exercice 1

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Et on continue encore !
Question 1

Soit xx un supérieur ou égal à 11.
Déterminer la nature de l'intégrale généralisée ∫1+∞ln⁡(x)x2 dx\int_1^{+\infty} \dfrac{\ln(x)}{x^2} \, dx.

Correction
La fonction x⟼ln⁡(x)x2x \longmapsto \dfrac{\ln(x)}{x^2} est continue sur l'intervalle [1 ; +∞[[ 1 \,;\ + \infty[, donc elle y est localement intégrable.
Soit x∈[1 ; +∞[x \in [ 1 \,;\ + \infty[, on a, à l'aide d'une intégration par parties, les développements suivants :
∫1xln⁡(t)t2 dt=∫1x1t2ln⁡(t) dt=[−1tln⁡(t)]1x−∫1x((−1t)×1t) dt=[1tln⁡(t)]x1+∫1x1t2 dt\int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = \int_1^{x} \dfrac{1}{t^2} \ln(t) \, dt = \left[ -\dfrac{1}{t} \ln(t) \right]_1^{x} - \int_1^{x} \left( \left( -\dfrac{1}{t} \right) \times \dfrac{1}{t} \right) \, dt = \left[\dfrac{1}{t} \ln(t) \right]_x^{1} + \int_1^{x} \dfrac{1}{t^2} \, dt
Soit :
∫1xln⁡(t)t2 dt=11ln⁡(1)−1xln⁡(x)+∫1x1t2 dt\int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = \dfrac{1}{1} \ln(1) - \dfrac{1}{x} \ln(x) + \int_1^{x} \dfrac{1}{t^2} \, dt
Comme ln⁡(1)=0\ln(1) = 0, on obtient :
∫1xln⁡(t)t2 dt=−1xln⁡(x)+∫1x1t2 dt=−1xln⁡(x)+[−1t]1x=−1xln⁡(x)+[1t]x1=−1xln⁡(x)+11−1x\int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = - \dfrac{1}{x} \ln(x) + \int_1^{x} \dfrac{1}{t^2} \, dt = - \dfrac{1}{x} \ln(x) + \left[ -\dfrac{1}{t} \right]_1^{x} = - \dfrac{1}{x} \ln(x) + \left[ \dfrac{1}{t} \right]_x^{1} = - \dfrac{1}{x} \ln(x) + \dfrac{1}{1} - \dfrac{1}{x}
Donc :
∫1xln⁡(t)t2 dt=−ln⁡(x)x+1−1x=1−(ln⁡(x)x+1x)\int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = - \dfrac{\ln(x)}{x} + 1 - \dfrac{1}{x} = 1 - \left( \dfrac{\ln(x)}{x} + \dfrac{1}{x} \right)
Ainsi :
∫1xln⁡(t)t2 dt=1−1+ln⁡(x)x\int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = 1 - \dfrac{1 +\ln(x)}{x}
De fait, on en déduit que :
∫1+∞ln⁡(x)x2 dx=lim⁡x⟶+∞∫1xln⁡(t)t2 dt=lim⁡x⟶+∞(1−1+ln⁡(x)x)=1−lim⁡x⟶+∞1+ln⁡(x)x=1−lim⁡x⟶+∞ln⁡(x)x\int_1^{+\infty} \dfrac{\ln(x)}{x^2} \, dx = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \int_1^{x} \dfrac{\ln(t)}{t^2} \, dt = \lim_{x \longrightarrow + \infty} \left( 1 - \dfrac{1 +\ln(x)}{x} \right) = 1 - \lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{1 +\ln(x)}{x} = 1 - \lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{\ln(x)}{x}
Par croissance comparée, on sait que lim⁡x⟶+∞ln⁡(x)x=0\lim_{x \longrightarrow + \infty} \dfrac{\ln(x)}{x} = 0. Il en résulte donc que :
∫1+∞ln⁡(x)x2 dx=1\int_1^{+\infty} \dfrac{\ln(x)}{x^2} \, dx = 1
Ainsi, l'intégrale généralisée ∫1+∞ln⁡(x)x2 dx\int_1^{+\infty} \dfrac{\ln(x)}{x^2} \, dx est de nature convergente.

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