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Exercice corrigé : Type bac : une suite d'intégrales avec ln(1+x)

Établir une inégalité par étude de fonctionCalculer des intégrales par partiesÉtudier une suite d'intégralesDéterminer une limite par encadrement

Partie A

On considère la fonction $h$ définie sur $[0\,;\,1]$ par $h(x)=x-\ln(1+x)$.

  1. Étudier les variations de $h$ sur $[0\,;\,1]$.
  2. En déduire que pour tout $x\in[0\,;\,1]$ : $0\le\ln(1+x)\le x$.

Partie B

Pour tout entier $n\ge0$, on pose $$I_n=\int_0^1x^n\ln(1+x)\,\mathrm{d}x.$$

  1. a. Vérifier que pour tout $x\in[0\,;\,1]$, $\dfrac{x}{1+x}=1-\dfrac{1}{1+x}$.

    b. À l'aide d'une intégration par parties, montrer que $I_0=2\ln2-1$.

  2. On choisit, pour primitive de $x\mapsto x$, la fonction $v$ définie par $v(x)=\dfrac{x^2-1}{2}$. À l'aide d'une intégration par parties, montrer que $I_1=\dfrac14$.

  3. Montrer que pour tout $n$, $I_n\ge0$.

  4. Montrer que la suite $(I_n)$ est décroissante. En déduire qu'elle converge.

  5. À l'aide de la partie A, montrer que pour tout $n$, $I_n\le\dfrac{1}{n+2}$. En déduire la limite de $(I_n)$.

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