Sur l'intervalle
[2;+∞[ on considère l'expression :
f(x)=x(ln(x))a1La fonction
f, dont l'image est indiquée ci-avant, est décroissante sur l'intervalle
[2;+∞[.
Soit
k un nombre entier naturel strictement supérieur à
2. On a alors :
∀x∈[k;k+1],(k+1)(ln(k+1))a1⩽x(ln(x))a1⩽k(ln(k))a1Par intégration, sur
x, de l'inégalité précédente entre
k et
k+1 on obtient :
∀x∈[k;k+1],∫kk+1(k+1)(ln(k+1))a1dx⩽∫kk+1x(ln(x))a1dx⩽∫kk+1k(ln(k))a1dxSoit :
∀x∈[k;k+1],(k+1)(ln(k+1))a1∫kk+11dx⩽∫kk+1x(ln(x))a1dx⩽k(ln(k))a1∫kk+11dxComme
∫kk+11dx=1 on trouve que :
∀x∈[k;k+1],(k+1)(ln(k+1))a1⩽∫kk+1x(ln(x))a1dx⩽k(ln(k))a1On va maintenant sommer cette inégalité pour des valeurs de
k allant de
2 à
n−1. On a alors :
k=2∑n−1(k+1)(ln(k+1))a1⩽k=2∑n−1∫kk+1x(ln(x))a1dx⩽k=2∑n−1k(ln(k))a1Donc :
k=2∑n−1(k+1)(ln(k+1))a1⩽∫2nx(ln(x))a1dx⩽k=2∑n−1k(ln(k))a1On pose alors
K=k+1 et de fait
K va de
3 à
n. Ainsi, on trouve que :
K=3∑nK(ln(K))a1⩽∫2nx(ln(x))a1dx⩽K=3∑n(K−1)(ln(K−1))a1De plus, on a :
∫2nx(ln(x))a1dx=∫2n(ln(x))ax1dxOn pose alors
X=ln(x). Dans ce cas on a
dxdX=dxdln(x)=x1 et de fait
dX=x1dx. En outre, comme
x va de
2 à
n alors
X va de
ln(2) à
ln(n). On a donc :
∫2nx(ln(x))a1dx=∫2n(ln(x))ax1dx=∫ln(2)ln(n)Xa1dX=[1−a1×Xa−11]ln(2)ln(n)=1−a1×[Xa−11]ln(2)ln(n)Ainsi :
∫2nx(ln(x))a1dx=1−a1×(ln(n)a−11−ln(2)a−11)=1−a1×ln(n)a−11−1−a1×ln(2)a−11Ainsi, on peut donc écrire que :
K=3∑nK(ln(K))a1⩽1−a1×ln(n)a−11−1−a1×ln(2)a−11⩽K=3∑n(K−1)(ln(K−1))a1En conservant uniquement la minoration, on trouve que :
K=3∑nK(ln(K))a1⩽1−a1×ln(n)a−11−1−a1×ln(2)a−11Soit encore :
K=3∑nK(ln(K))a1⩽−a−11×ln(n)a−11+a−11×ln(2)a−11On constate que,
sous la condition a>1, Le terme
a−11×ln(n)a−11>0 (car
n un nombre entier naturel supérieur ou égal à
2), et on a donc la majoration suivante :
K=3∑nK(ln(K))a1⩽−a−11×ln(n)a−11+a−11×ln(2)a−11⩽a−11×ln(2)a−11Donc la somme
K=3∑nK(ln(K))a1 est majorée. De plus, cette somme
K=3∑nK(ln(K))a1 est croissante car on ne fait qu'ajouter des quantités positives.
En conséquence la somme
K=3∑nK(ln(K))a1 est convergente. Ceci implique que la série associée
K=3∑+∞K(ln(K))a1 est également convergente.
Ceci nous permet d'affirmer qu'il en est de même pour la série
2(ln(2))a1+K=3∑+∞K(ln(K))a1=K=2∑+∞K(ln(K))a1.
En conclusion,
si a>1 alors la série
S=n=2∑+∞n(ln(n))a1 est de nature convergente.