Intégrales

Bonjour
Calculer $$\int_{\pi/4}^{\pi/2} \ln(\sin(x)) dx$$ avec la constante de Catalan, $\pi$, $\ln(2)$.
Merci.

Réponses

  • \begin{align}\text{J}&=\int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\sin x\right)dx\\
    &\overset{y=\frac{\pi}{2}-x}=\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\cos y\right)dy\\
    2\text{J}&=\left(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\sin x\right)dx-\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\sin x\right)dx\right)+\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\cos y\right)dy\\
    &=-\underbrace{\int_0^{\frac{\pi}{4}}\ln\left(\tan x\right)dx}_{=\text{G}}+\underbrace{\int_0^{\frac{\pi}{2}}\ln\left(\sin x\right)dx}_{=-\frac{\pi \ln 2}{2}}\\
    \text{J}&=\boxed{\dfrac{\text{G}}{2}-\dfrac{\pi \ln 2}{4}}
    \\\end{align}
  • Fin de partie l’homme qui calcule plus vite que son ombre.
  • J'allais me coucher quand j'ai vu ton message. Je me suis dit que cela n'allait pas me prendre plus de dix minutes pour faire ce calcul. B-)-
  • Bonjour
    Calculer $$\int_{0}^{\pi/2} x^3\ln(\sin(x)) dx .

    $$ Merci.
  • Bonjour,

    Indication :
    On établit que, pour tout $ x$ tel que $0<x<\pi/2$, $\ln \sin x = -\ln 2-\sum_{k\geq 1} {\cos 2 k x\over k}.$
    On permute intégrale et somme pour tomber sur des $\sum_{k\geq 1}$ de ${1\over k^5}$, ${(-1)^k\over k^4}$ et ${(-1)^k\over k^3}.$
    On décompose les sommes en $(-1)^k$ en termes pairs et impairs pour exprimer la somme selon $\zeta(4)$ dont la valeur exacte doit être retrouvée : c’est un terme en $\pi^4.$
  • J'ai cherché dans mes archives si l'intégrale $\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} x^3\ln\big(\sin(x)\big) dx$ y figurait.
    J'ai trouvé un article qui donne une formule qui lui est reliée.
    J'ai de forts doutes que l'intégrale ne soit exprimable qu'avec les nombres $\zeta(s)$, $\, s\geq 2$ entier, $\ \ln t$, $\, t\geq 2$, entier, et $\ \pi^k$, $\, k\geq 2$, un entier.
    Voir p212: https://core.ac.uk/download/pdf/81992758.pdf

    Pour les intégrales du type $\displaystyle \int_{0}^{\pi/2} x^{2n}\ln\big(\sin(x)\big) dx$ on peut consulter : https://projecteuclid.org/journals/bulletin-of-the-american-mathematical-society/volume-7/issue-9/The-value-of-int_0pi2log-2cosvarphim-varphin-dvarphi/bams/1183416658.full

    PS. On peut néanmoins faire des simplifications dans la formule mise en lien ci-dessus. Mais je doute qu'on fasse disparaître tous les termes où apparaissent la constante $\gamma$.
  • Wolfy sait le faire, maintenant il faut comprendre comment il fait.
  • Plus de constante $\gamma$ dans le résultat ce qui est étonnant.

    On a, pour $p\geq 0,q\geq 0$ cette formule:

    \begin{align}F(p,q)&=\int_0^{\frac{\pi}{2}}(2\cos t)^p\cos(qt)dt\\
    &=\frac{\pi}{2}\frac{\Gamma(p+1)}{\Gamma\left(\frac{p+q}{2}+1\right)\Gamma\left(\frac{p-q}{2}+1\right)}\end{align}
    Pour calculer l'intégrale d'Etanche il faut, me semble-t-il, évaluer:
    \begin{align}\left.\frac{\partial^4 }{\partial p\partial^3 q }F(p,q)\right |_{p=0,q=0}\end{align}

    PS:
    J'ai trouvé cette formule dans ce papier.
  • Bonjour
    Je n'ai pas fait les calculs mais la démarche donnée par @YvesM n'est-elle pas bonne?
     
  • Bonjour,

    Bien sûr la méthode que j’ai indiquée donne l’intégrale pour tout exposant du monôme.
  • YvvesM sans le faire exprès m'a induit en erreur. Je pensais que la valeur à obtenir était un truc de "degré" $4$ . C'est à dire une combinaison linéaire, à coefficients rationnels, de produits de termes dont la somme des "degrés" est $4$. $\zeta(4)$ est de degré $4$.
    Mais si on en croit Wolfy c'est de "degré" $5$, il y a par exemple, $\zeta(5)$, à un facteur multiplicatif rationnel près, qui est un des termes de la somme.
    J'avais écrit un script pour PARI GP qui permet empiriquement de savoir si un nombre est une combinaison linéaire de termes de degré $4$. Je l'ai appliqué à l'intégrale d'Etanche et, j'en ai déduit faussement, qu'il devait y avoir des termes pas sympathiques du tout que je ne prenais pas en compte (mais qu'il y avait des termes de "degré" $4$ malgré tout ).

    J'ai eu la paresse de remplacer les valeurs de dérivées en $1$ de la fonction digamma qui interviennent dans la formule qui est incluse dans un papier que j'ai mis en lien. Je me suis persuadé, à tort, que c'était des termes dont l'un des facteurs est $\gamma$ que je ratais et que le résultat final risquait d'être compliqué.
    Pour revenir à ta question sur le calcul dYves. Je ne suis pas convaincu du tout par son calcul.
    Le résultat, à trouver, est une combinaison linéaire à coefficients rationnels des constantes: $\zeta(2)\zeta(3),\zeta(5),\zeta(4)\ln 2$ (merci à Wolfy )
    mais dans le calcul proposé par YvesM on ne multiplie par des séries donc je ne vois pas comment on va faire apparaître tous ces termes qui sont des produits de séries. Je pense qu'Yves n'a vraisemblablement pas fait les calculs car il parle de $\zeta(4)$ mais ce nombre n'intervient que multiplié par $\ln 2$ (on se demande bien comment on va obtenir par manipulation de séries ce produit).
    Je pense que si on applique ce que dit YvesM on va obtenir une série égale à l'intégrale du départ, mais je me demande bien à quoi cela va nous avancer.
  • Dans le calcul intégral on a un outil* qui permet de "factoriser" une intégrale, si elle est double, triple etc. Mais à partir d'une série simple** comment fait-on pour la "factoriser"? On n'a pas, me semble-t-il, d'outil analogue.

    * Théorème de Fubini.
    **: Avec un seul indice qui varie.

    PS:
    Dans l'intégration par parties le terme tout intégré est un produit mais il reste à transformer en produit l'intégrale restante.

    PS2:
    En général, ce n'est pas une très bonne idée de transformer une intégrale en UNE série si on sait que le résultat comporte des termes qui sont le produit de constantes usuelles de l'analyse.
  • On a: \begin{align}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{x^3\cos 2 k x\over k}dx=\underbrace{\frac{{{{\pi} }^{3}} \sin{\left( {\pi} k\right) }}{16 k^2}}_{\text{la série ayant ce terme général est nulle}}-\underbrace{\frac{3 {\pi} \sin{\left( {\pi} k\right) }}{8 {{k}^{4}}}}_{\text{idem}}+\frac{3 {{{\pi} }^{2}} \cos{\left( {\pi} k\right) }}{16 {{k}^{3}}}-\frac{3 \cos{\left( {\pi} k\right) }}{8 {{k}^{5}}}+\frac{3}{8 {{k}^{5}}}\end{align}

    Finalement, malgré mes impressions cela semble bien s'arranger. B-)-

    NB:
    Merci à Maxima pour les calculs.
  • La seconde intégrale proposée par etanche a déjà été étudiée avec des généralisations dans ce fil : Constante d'Apéry.
  • Jandri merci. Mais c'est cruel de me rappeler que je n'ai pas de mémoire. X:-(
  • Je me souvenais avoir cherché ce type d'intégrale mais je n'aurais pas su dire quand.
    Heureusement depuis quelques années je note dans mes papiers les références de ce qui m'a intéressé, ce qui m'a permis de retrouver le titre du fil.
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