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Leçon 2

Propriétés de l'intégrale

Vidéo 2 : Propriétés de l'intégrale · 3 min 47 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Dans toute la leçon, ff et gg sont continues sur un intervalle II, et aa, bb, cc sont des réels de II.

2.1 Relation de Chasles

Propriété. ∫acf(x) dx=∫abf(x) dx+∫bcf(x) dx.\int_a^c f(x)\,dx = \int_a^b f(x)\,dx + \int_b^c f(x)\,dx.

Démonstration. Avec une primitive FF : F(c)−F(a)=(F(b)−F(a))+(F(c)−F(b))F(c) - F(a) = \big(F(b) - F(a)\big) + \big(F(c) - F(b)\big).

Interprétation graphique. Pour ff positive et a<b<ca < b < c, l'aire entre aa et cc est la somme de l'aire entre aa et bb et de l'aire entre bb et cc.

Exemple 1. Calculer ∫03∣x−1∣ dx\displaystyle\int_0^3 |x - 1|\,dx.

On ne connaît pas directement de primitive de ∣x−1∣|x - 1| sur [0;3][0;3], mais on sait l'écrire sans valeur absolue sur chaque morceau : ∣x−1∣=1−x|x - 1| = 1 - x sur [0;1][0;1] et ∣x−1∣=x−1|x - 1| = x - 1 sur [1;3][1;3]. Par la relation de Chasles : ∫03∣x−1∣ dx=∫01(1−x) dx+∫13(x−1) dx=[x−x22]01+[x22−x]13=12+2=52.\int_0^3 |x-1|\,dx = \int_0^1 (1 - x)\,dx + \int_1^3 (x - 1)\,dx = \left[x - \frac{x^2}{2}\right]_0^1 + \left[\frac{x^2}{2} - x\right]_1^3 = \frac12 + 2 = \frac52. Vérification graphique : deux triangles, d'aires 12\frac12 et 22.

2.2 Linéarité

Propriété. Pour tout réel kk : ∫ab(f(x)+g(x)) dx=∫abf(x) dx+∫abg(x) dx∫abk f(x) dx=k∫abf(x) dx.\int_a^b \big(f(x) + g(x)\big)\,dx = \int_a^b f(x)\,dx + \int_a^b g(x)\,dx \qquad\qquad \int_a^b k\,f(x)\,dx = k\int_a^b f(x)\,dx.

Démonstration. Si FF et GG sont des primitives de ff et gg, alors F+GF + G est une primitive de f+gf + g et kFkF une primitive de kfkf.

Exemple 2. ∫12(3x2−4x)dx=3∫12x2 dx−4∫12dxx=3×73−4ln⁡2=7−4ln⁡2.\displaystyle\int_1^2 \left(3x^2 - \frac{4}{x}\right)dx = 3\int_1^2 x^2\,dx - 4\int_1^2 \frac{dx}{x} = 3 \times \frac73 - 4\ln 2 = 7 - 4\ln 2.

Attention. Il n'y a pas de formule pour l'intégrale d'un produit : en général, ∫abf(x)g(x) dx≠∫abf(x) dx×∫abg(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)g(x)\,dx \neq \int_a^b f(x)\,dx \times \int_a^b g(x)\,dx. Pour les produits, on utilisera l'intégration par parties (leçon 3).

2.3 Positivité

Propriété. Si a≤ba \leq b et si f≥0f \geq 0 sur [a;b][a;b], alors ∫abf(x) dx≥0\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx \geq 0.

Démonstration. Soit FF une primitive de ff. Comme F′=f≥0F' = f \geq 0 sur [a;b][a;b], FF est croissante sur [a;b][a;b], donc F(b)≥F(a)F(b) \geq F(a).

Attention.

  • L'ordre des bornes compte : ∫10x dx=−12<0\displaystyle\int_1^0 x\,dx = -\frac12 < 0, alors que x≥0x \geq 0 sur [0;1][0;1].
  • La réciproque est fausse : ∫−12x dx=32>0\displaystyle\int_{-1}^{2} x\,dx = \frac32 > 0, alors que xx prend des valeurs négatives sur [−1;2][-1;2].

Fonction négative. Si a≤ba \leq b et f≤0f \leq 0 sur [a;b][a;b], alors ∫abf(x) dx≤0\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx \leq 0, et l'aire du domaine compris entre la courbe et l'axe des abscisses vaut −∫abf(x) dx\displaystyle-\int_a^b f(x)\,dx (la courbe de −f-f est symétrique de celle de ff par rapport à l'axe des abscisses). Par exemple, ∫π2πsin⁡x dx=−2\displaystyle\int_{\pi}^{2\pi} \sin x\,dx = -2 : l'arche située sous l'axe a pour aire 22 u.a.

2.4 Intégration et inégalités

Propriété. Si a≤ba \leq b et si f≤gf \leq g sur [a;b][a;b], alors ∫abf(x) dx≤∫abg(x) dx.\int_a^b f(x)\,dx \leq \int_a^b g(x)\,dx.

Démonstration. g−f≥0g - f \geq 0 sur [a;b][a;b], donc ∫ab(g−f)≥0\displaystyle\int_a^b (g - f) \geq 0 par positivité, et on conclut par linéarité.

Interprétation graphique. Si 0≤f≤g0 \leq f \leq g, le domaine sous la courbe de ff est contenu dans le domaine sous la courbe de gg : son aire est plus petite. On dit qu'on peut intégrer une inégalité, à condition que les bornes soient dans l'ordre croissant.

Exemple 3. Sur [0;1][0;1], on a x2≤xx^2 \leq x, donc −x≤−x2-x \leq -x^2, et comme exp⁡\exp est croissante, e−x≤e−x2e^{-x} \leq e^{-x^2}. En intégrant : ∫01e−x2 dx≥∫01e−x dx=[−e−x]01=1−1e.\int_0^1 e^{-x^2}\,dx \geq \int_0^1 e^{-x}\,dx = \Big[-e^{-x}\Big]_0^1 = 1 - \frac1e.

2.5 Inégalité de la moyenne

Propriété (inégalité de la moyenne). Si a≤ba \leq b et si m≤f(x)≤Mm \leq f(x) \leq M pour tout xx de [a;b][a;b], alors m(b−a)≤∫abf(x) dx≤M(b−a).m(b - a) \leq \int_a^b f(x)\,dx \leq M(b - a).

Démonstration. On intègre l'inégalité m≤f≤Mm \leq f \leq M entre aa et bb, avec ∫abm dx=m(b−a)\displaystyle\int_a^b m\,dx = m(b-a).

Interprétation graphique. Pour ff positive, l'aire sous la courbe est comprise entre celle du rectangle de hauteur mm et celle du rectangle de hauteur MM, tous deux de base [a;b][a;b].

Autre forme. Si ∣f(x)∣≤M|f(x)| \leq M sur l'intervalle d'extrémités aa et bb, alors ∣∫abf(x) dx∣≤M ∣b−a∣\left|\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\right| \leq M\,|b - a|.

Exemple 4. Encadrer I=∫01e−x2 dxI = \displaystyle\int_0^1 e^{-x^2}\,dx.

On ne connaît pas de primitive de e−x2e^{-x^2}. Sur [0;1][0;1], x2x^2 croît de 00 à 11, donc e−x2e^{-x^2} décroît de 11 à e−1e^{-1} : 1e≤e−x2≤1\dfrac1e \leq e^{-x^2} \leq 1. L'inégalité de la moyenne donne 1e≤I≤1\dfrac1e \leq I \leq 1. Avec l'exemple 3, qui est plus précis à gauche : 1−1e≤I≤1,soit0,63≤I≤1.1 - \frac1e \leq I \leq 1, \quad\text{soit}\quad 0{,}63 \leq I \leq 1.

2.6 Intégrale et valeur absolue

Propriété. 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.

Démonstration. La fonction ∣f∣|f| est continue. Pour tout xx, −∣f(x)∣≤f(x)≤∣f(x)∣-|f(x)| \leq f(x) \leq |f(x)|. On intègre : −∫ab∣f∣≤∫abf≤∫ab∣f∣\displaystyle-\int_a^b |f| \leq \int_a^b f \leq \int_a^b |f|.

Exemple 5. ∣∫01e−xcos⁡(5x) dx∣≤∫01e−x∣cos⁡(5x)∣ dx≤∫01e−x dx=1−1e\left|\displaystyle\int_0^1 e^{-x}\cos(5x)\,dx\right| \leq \displaystyle\int_0^1 e^{-x}|\cos(5x)|\,dx \leq \int_0^1 e^{-x}\,dx = 1 - \frac1e, car ∣cos⁡(5x)∣≤1|\cos(5x)| \leq 1.

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Exercice 3

  • Exercice 3 : propriétés et inégalités

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Corrigés

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