a∈R,n∈N とし,
I(n,a)=∫01xa(logx)ndx
とおく.
a>−1 ならば I(n,a) は収束することを示せ.
まず,任意の実数 ε>0 に対して,
x→0limxε(logx)n=0
が成り立つ.
これは.ロピタルの定理を繰り返し用いることによって,
x→+0limxε(logx)n=x→0limx−ε(logx)n
=x→0lim(−ε)nn!x−ε1=0
と計算できるからである.
次に, a>−1 ならば, −a<d<1 となるような実数 d が存在する.
このとき,そのような d で d+a>0 を満たすので,
x→+0limxd∣xa(logx)n∣=x→0limxd+a(logx)n=0
である.
よって,適当な実数 δ が存在して, 0<x<δ ならば,
xd∣xa(logx)n∣<1
⇔∣xa(logx)n∣<xd1
を満たす.
両辺を 0 から δ まで積分すると,
m→0lim∫mδ∣xa(logx)n∣dx<m→0lim∫mδxd1dx
であり, 1>d より右辺は収束するので,左辺も収束する.
また, ∣xa(logx)n∣ は [δ,1] で連続だから, ∫δ1∣xa(logx)n∣dx は存在する.
従って,I(n,a) は収束する. □