Licence 1Analyse

Calcul intégral et primitives

55 min15 exercicesSéquence 5.5 — Licence 1
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Durée : 55 min

Calcul intégral et primitives

### 1. Primitives usuelles

Une fonction FF est une primitive de ff sur un intervalle II si FF est dérivable sur II et F′(x)=f(x)F'(x) = f(x) pour tout x∈Ix \in I.

Unicité à une constante près : Si FF et GG sont deux primitives de ff sur II, alors F−GF - G est constante sur II. Ainsi, l'ensemble des primitives de ff s'écrit F(x)+CF(x) + C, C∈RC \in \mathbb{R}.

Tableau des primitives usuelles :

| Fonction f(x)f(x) | Primitive F(x)F(x) | Condition |
|---|---|---|
| xnx^n | xn+1n+1+C\dfrac{x^{n+1}}{n+1} + C | n∈Nn \in \mathbb{N}, ou n≠−1n \neq -1 |
| 1x\dfrac{1}{x} | ln⁡∣x∣+C\ln|x| + C | x≠0x \neq 0 |
| exe^x | ex+Ce^x + C | — |
| cos⁡x\cos x | sin⁡x+C\sin x + C | — |
| sin⁡x\sin x | −cos⁡x+C-\cos x + C | — |
| 11+x2\dfrac{1}{1+x^2} | arctan⁡x+C\arctan x + C | — |
| 11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} | arcsin⁡x+C\arcsin x + C | x∈]−1,1[x \in ]-1,1[ |
| u′u\dfrac{u'}{u} | ln⁡∣u∣+C\ln|u| + C | u≠0u \neq 0 |
| u′euu' e^u | eu+Ce^u + C | — |

Linéarité de la primitivation : si FF est une primitive de ff et GG une primitive de gg, alors pour tous réels α,β\alpha, \beta, αF+βG\alpha F + \beta G est une primitive de αf+βg\alpha f + \beta g :

∫(αf(x)+βg(x)) dx=α∫f(x) dx+β∫g(x) dx\int (\alpha f(x) + \beta g(x))\, dx = \alpha \int f(x)\, dx + \beta \int g(x)\, dx

### 2. Intégrale de Riemann sur un segment

Sommes de Riemann (idée intuitive) : soit ff continue sur [a,b][a,b]. On découpe [a,b][a,b] en nn sous-intervalles de largeur b−an\frac{b-a}{n} et on approche l'aire sous la courbe par une somme de rectangles :

Sn=b−an∑k=0n−1f(a+k b−an)S_n = \frac{b-a}{n} \sum_{k=0}^{n-1} f\left(a + k\,\frac{b-a}{n}\right)

Lorsque ff est continue sur [a,b][a,b], on démontre que SnS_n converge quand n→+∞n \to +\infty vers un nombre réel, indépendant du choix des points dans chaque sous-intervalle. Cette limite est appelée intégrale de ff sur [a,b][a,b], notée :

∫abf(x) dx=lim⁡n→+∞Sn\int_a^b f(x)\, dx = \lim_{n \to +\infty} S_n

Géométriquement, si f≥0f \geq 0 sur [a,b][a,b], ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx représente l'aire du domaine compris entre la courbe de ff, l'axe des abscisses, et les droites x=ax=a, x=bx=b.

Convention : ∫baf(x) dx=−∫abf(x) dx\int_b^a f(x)\, dx = -\int_a^b f(x)\, dx et ∫aaf(x) dx=0\int_a^a f(x)\, dx = 0.

### 3. Théorème fondamental de l'analyse

Théorème : Soit ff continue sur [a,b][a,b] et FF une primitive quelconque de ff sur [a,b][a,b]. Alors :

∫abf(x) dx=F(b)−F(a)=[F(x)]ab\int_a^b f(x)\, dx = F(b) - F(a) = \big[F(x)\big]_a^b

Ce théorème relie le calcul d'aires (intégrale) au calcul de primitives, et permet de calculer explicitement une intégrale dès qu'on connaît une primitive.

Il admet aussi une formulation locale : la fonction x↦∫axf(t) dtx \mapsto \displaystyle\int_a^x f(t)\, dt est une primitive de ff sur [a,b][a,b] (c'est la primitive qui s'annule en aa).

Exemple résolu : Calculer ∫02(3x2−2x+1) dx\displaystyle\int_0^2 (3x^2 - 2x + 1)\, dx.

Solution : Une primitive de 3x2−2x+13x^2 - 2x + 1 est F(x)=x3−x2+xF(x) = x^3 - x^2 + x. Donc :

∫02(3x2−2x+1) dx=[x3−x2+x]02=(8−4+2)−0=6\int_0^2 (3x^2-2x+1)\,dx = \big[x^3-x^2+x\big]_0^2 = (8-4+2) - 0 = 6

### 4. Propriétés de l'intégrale

Soient f,gf, g continues sur un intervalle contenant a,b,ca, b, c.

Linéarité :

∫ab(αf(x)+βg(x)) dx=α∫abf(x) dx+β∫abg(x) dx\int_a^b \big(\alpha f(x) + \beta g(x)\big)\, dx = \alpha \int_a^b f(x)\, dx + \beta \int_a^b g(x)\, dx

Positivité : si f≥0f \geq 0 sur [a,b][a,b] (avec a≤ba \leq b), alors ∫abf(x) dx≥0\displaystyle\int_a^b f(x)\, dx \geq 0.

Croissance (monotonie) : si f≤gf \leq g sur [a,b][a,b] (avec a≤ba \leq b), alors :

∫abf(x) dx≤∫abg(x) dx\int_a^b f(x)\, dx \leq \int_a^b g(x)\, dx

Relation de Chasles : pour tout cc (même hors de [a,b][a,b], si ff y est définie) :

∫abf(x) dx=∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx\int_a^b f(x)\, dx = \int_a^c f(x)\, dx + \int_c^b f(x)\, dx

Inégalité triangulaire : si a≤ba \leq b,

∣∫abf(x) dx∣≤∫ab∣f(x)∣ dx\left| \int_a^b f(x)\, dx \right| \leq \int_a^b |f(x)|\, dx

Cette inégalité découle de −∣f(x)∣≤f(x)≤∣f(x)∣-|f(x)| \leq f(x) \leq |f(x)| et de la croissance de l'intégrale.

### 5. Intégration par parties (IPP)

Théorème : Soient u,vu, v deux fonctions de classe C1C^1 sur [a,b][a,b]. Alors :

∫abu(x)v′(x) dx=[u(x)v(x)]ab−∫abu′(x)v(x) dx\int_a^b u(x) v'(x)\, dx = \big[u(x)v(x)\big]_a^b - \int_a^b u'(x) v(x)\, dx

(et de façon analogue pour les primitives, sans les bornes : ∫uv′=uv−∫u′v\int u v' = uv - \int u'v).

Cette formule découle directement de la formule de dérivation d'un produit : (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'.

Exemple 1 : Calculer ∫01xex dx\displaystyle\int_0^1 x e^x\, dx.

Solution : On pose u(x)=xu(x) = x (donc u′(x)=1u'(x)=1) et v′(x)=exv'(x) = e^x (donc v(x)=exv(x) = e^x) :

∫01xex dx=[xex]01−∫01ex dx=(1⋅e1−0)−[ex]01=e−(e−1)=1\int_0^1 x e^x\, dx = \big[x e^x\big]_0^1 - \int_0^1 e^x\, dx = (1 \cdot e^1 - 0) - \big[e^x\big]_0^1 = e - (e-1) = 1

On vérifie que F(x)=(x−1)exF(x) = (x-1)e^x est bien une primitive de xexxe^x : F′(x)=ex+(x−1)ex=xexF'(x) = e^x + (x-1)e^x = xe^x. ✓

Exemple 2 : Calculer ∫1eln⁡x dx\displaystyle\int_1^e \ln x\, dx.

Solution : On écrit ln⁡x=1⋅ln⁡x\ln x = 1 \cdot \ln x et on pose u(x)=ln⁡xu(x) = \ln x (donc u′(x)=1/xu'(x) = 1/x) et v′(x)=1v'(x) = 1 (donc v(x)=xv(x) = x) :

∫1eln⁡x dx=[xln⁡x]1e−∫1ex⋅1x dx=(e⋅1−0)−∫1e1 dx=e−(e−1)=1\int_1^e \ln x\, dx = \big[x \ln x\big]_1^e - \int_1^e x \cdot \frac{1}{x}\, dx = (e \cdot 1 - 0) - \int_1^e 1\, dx = e - (e-1) = 1

On vérifie : F(x)=xln⁡x−xF(x) = x\ln x - x a pour dérivée F′(x)=ln⁡x+x⋅1x−1=ln⁡xF'(x) = \ln x + x\cdot\frac1x - 1 = \ln x. ✓

### 6. Changement de variable

Théorème : Soit φ\varphi de classe C1C^1 sur [a,b][a,b] et ff continue sur φ([a,b])\varphi([a,b]). Alors :

∫abf(φ(t)) φ′(t) dt=∫φ(a)φ(b)f(x) dx\int_a^b f(\varphi(t))\, \varphi'(t)\, dt = \int_{\varphi(a)}^{\varphi(b)} f(x)\, dx

En pratique, on pose x=φ(t)x = \varphi(t), donc dx=φ′(t) dtdx = \varphi'(t)\, dt, et on change les bornes en conséquence.

Exemple 1 : Calculer ∫0π/2sin⁡xcos⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi/2} \sin x \cos x\, dx.

Solution : On pose u=sin⁡xu = \sin x, donc du=cos⁡x dxdu = \cos x\, dx. Quand x=0x=0, u=0u=0 ; quand x=π/2x=\pi/2, u=1u=1 :

∫0π/2sin⁡xcos⁡x dx=∫01u du=[u22]01=12\int_0^{\pi/2} \sin x \cos x\, dx = \int_0^1 u\, du = \left[\frac{u^2}{2}\right]_0^1 = \frac{1}{2}

Exemple 2 : Calculer ∫01x1+x2 dx\displaystyle\int_0^1 \frac{x}{1+x^2}\, dx.

Solution : On pose u=1+x2u = 1+x^2, donc du=2x dxdu = 2x\, dx, soit x dx=du2x\,dx = \dfrac{du}{2}. Quand x=0x=0, u=1u=1 ; quand x=1x=1, u=2u=2 :

∫01x1+x2 dx=∫1212u du=12[ln⁡∣u∣]12=12ln⁡2\int_0^1 \frac{x}{1+x^2}\, dx = \int_1^2 \frac{1}{2u}\, du = \frac{1}{2}\big[\ln|u|\big]_1^2 = \frac{1}{2}\ln 2

### 7. Application : aires entre courbes

Si ff et gg sont continues sur [a,b][a,b] avec f(x)≥g(x)f(x) \geq g(x) pour tout x∈[a,b]x \in [a,b], l'aire A\mathcal{A} comprise entre les deux courbes est :

A=∫ab(f(x)−g(x)) dx\mathcal{A} = \int_a^b \big(f(x) - g(x)\big)\, dx

Exemple résolu : Calculer l'aire comprise entre les courbes de f(x)=xf(x) = x et g(x)=x2g(x) = x^2 sur [0,1][0,1].

Solution : Sur [0,1][0,1], on a x≥x2x \geq x^2 (car x−x2=x(1−x)≥0x - x^2 = x(1-x) \geq 0). Donc :

A=∫01(x−x2) dx=[x22−x33]01=12−13=16\mathcal{A} = \int_0^1 (x - x^2)\, dx = \left[\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}

### 8. Application : valeur moyenne d'une fonction

Définition : La valeur moyenne d'une fonction ff continue sur [a,b][a,b] (avec a≠ba \neq b) est :

μ=1b−a∫abf(x) dx\mu = \frac{1}{b-a} \int_a^b f(x)\, dx

Théorème de la moyenne : il existe c∈[a,b]c \in [a,b] tel que f(c)=μf(c) = \mu (conséquence directe du TVI appliqué à ff, continue sur le segment [a,b][a,b]).

Exemple résolu : Calculer la valeur moyenne de f(x)=x2f(x) = x^2 sur [0,3][0,3].

Solution :

μ=13−0∫03x2 dx=13[x33]03=13×9=3\mu = \frac{1}{3-0}\int_0^3 x^2\, dx = \frac{1}{3}\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^3 = \frac{1}{3} \times 9 = 3

Exercices

Quelle est une primitive de f(x)=x3f(x) = x^3 sur R\mathbb{R} ?

Quelle est une primitive de f(x)=ex+cos⁡xf(x) = e^x + \cos x sur R\mathbb{R} ?

Calculer ∫01(2x+1) dx\displaystyle\int_0^1 (2x+1)\, dx.

Vrai ou faux : si FF et GG sont deux primitives de ff sur un intervalle II, alors F−GF - G est nécessairement nulle.

Quelle est la primitive de f(x)=11+x2f(x) = \dfrac{1}{1+x^2} qui s'annule en x=0x=0 ?

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