Valeur moyenne, changement de variable, intégrales trigonométriques
Vidéo 8 : Compléments S1 et S3 · 3 min 43 s · sous-titres en français
Le cours écrit
8.1 Valeur moyenne d'une fonction
Définition. Soit f continue sur [a;b], avec a<b. La valeur moyenne de f sur [a;b] est le réel
μ=b−a1∫abf(x)dx.
Interprétation graphique. Pour f positive, μ(b−a)=∫abf(x)dx : le rectangle de base [a;b] et de hauteur μ a la même aire que le domaine sous la courbe.
Propriété. Si m≤f≤M sur [a;b], alors m≤μ≤M (on divise l'inégalité de la moyenne par b−a>0). De plus, l'image du segment [a;b] par f continue est un segment (chapitre 1), qui contient μ : d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe au moins un réel c de [a;b] tel que f(c)=μ.
Exemple 1. La valeur moyenne de sin sur [0;π] est π1∫0πsinxdx=π2≈0,64.
Exemple 2. La valeur moyenne de x↦x2 sur [0;3] est 31×9=3, atteinte en c=3.
En physique. La vitesse moyenne d'un mobile entre t1 et t2 est la valeur moyenne de sa vitesse : t2−t11∫t1t2v(t)dt=t2−t1x(t2)−x(t1), le déplacement divisé par la durée.
8.2 Changement de variable affine
Théorème. Soit f continue sur un intervalle I, et α=0, β deux réels. Si αt+β reste dans I quand t parcourt l'intervalle d'extrémités a et b, alors
∫abf(αt+β)dt=α1∫αa+βαb+βf(u)du.
Démonstration. Soit F une primitive de f sur I. La fonction t↦α1F(αt+β) a pour dérivée f(αt+β). Donc le membre de gauche vaut α1[F(αb+β)−F(αa+β)], qui est le membre de droite.
En pratique. On pose u=αt+β. Alors du=αdt, soit dt=αdu, et on change les bornes : quand t=a, u=αa+β ; quand t=b, u=αb+β.
Exemple 3.∫01(3t+1)2dt. On pose u=3t+1 : dt=3du, et u va de 1 à 4.
∫01(3t+1)2dt=31∫14u2du=31[−u1]14=31(1−41)=41.
Application : parité. Soit f continue sur [−a;a], a>0. Avec u=−t :
si f est impaire, ∫−aaf(t)dt=0 ;
si f est paire, ∫−aaf(t)dt=2∫0af(t)dt.
Démonstration pour f impaire. Par le changement de variable u=−t (α=−1, β=0) : ∫−a0f(−t)dt=−∫a0f(u)du=∫0af(u)du. Comme f(t)=−f(−t), on obtient ∫−a0f(t)dt=−∫0af(u)du, et la relation de Chasles donne 0. Le cas pair est identique, avec f(t)=f(−t).
Exemple 4.x↦x3ex2 est impaire, donc ∫−11x3ex2dx=0, sans aucun calcul de primitive.
Remarque (non exigible). Plus généralement, ∫abf(φ(t))φ′(t)dt=∫φ(a)φ(b)f(u)du : c'est la primitive de (F∘φ)′=(f∘φ)×φ′ vue au chapitre 2. Le programme précise que seuls les changements de variable affines sont exigibles à l'examen.
8.3 Intégrales de produits et de puissances de fonctions trigonométriques
Les formules d'addition (Première) donnent, pour tous réels a et b :
cos2x=21+cos(2x)sin2x=21−cos(2x)cosacosb=2cos(a−b)+cos(a+b)sinasinb=2cos(a−b)−cos(a+b)sinacosb=2sin(a+b)+sin(a−b)
Puissance impaire de sin ou de cos. On isole un facteur, et on remplace le reste avec cos2=1−sin2 (ou l'inverse) pour obtenir des formes u′un.
Exemple 5.sin3x=sinx×sin2x=sinx(1−cos2x)=sinx−sinxcos2x. Avec u=cosx :
∫02πsin3xdx=[−cosx+3cos3x]02π=0−(−1+31)=32.
Puissance paire. On linéarise : on écrit la puissance comme une somme de cos(kx).
Exemple 6.cos4x=(21+cos(2x))2=41+2cos(2x)+cos2(2x)=83+4cos(2x)+cos(4x), en appliquant encore la formule de cos2 à cos2(2x). Donc
∫02πcos4xdx=[83x+4sin(2x)+32sin(4x)]02π=163π.
Produit. On transforme le produit en somme.
Exemple 7.sin(3x)cosx=2sin(4x)+sin(2x). Donc
∫02πsin(3x)cosxdx=21[−4cos(4x)−2cos(2x)]02π=21[(−41+21)−(−41−21)]=21.
Au chapitre 7, les formules d'Euler et de Moivre (nombres complexes) donneront une méthode générale de linéarisation.