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Leçon 4

Calcul d'aires

Vidéo 4 : Calcul d'aires · 3 min 19 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Le plan est muni d'un repère orthogonal. Les aires sont d'abord exprimées en unités d'aire (u.a.).

4.1 Aire et signe de la fonction

Soit ff continue sur [a;b][a;b], a<ba < b, et D\mathcal{D} le domaine limité par la courbe de ff, l'axe des abscisses et les droites x=ax = a et x=bx = b.

Signe de ff sur [a;b][a;b] Aire de D\mathcal{D}
f≥0f \geq 0 ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx
f≤0f \leq 0 −∫abf(x) dx\displaystyle-\int_a^b f(x)\,dx
ff change de signe on découpe aux points où ff s'annule (Chasles), et on additionne les aires des morceaux : ∫ab∣f(x)∣ dx\displaystyle\int_a^b \lvert f(x)\rvert\,dx

Exemple 1. Soit f(x)=x2−1f(x) = x^2 - 1 sur [0;2][0;2].

L'intégrale vaut ∫02(x2−1) dx=[x33−x]02=83−2=23\displaystyle\int_0^2 (x^2 - 1)\,dx = \left[\frac{x^3}{3} - x\right]_0^2 = \frac83 - 2 = \frac23.

Mais f≤0f \leq 0 sur [0;1][0;1] et f≥0f \geq 0 sur [1;2][1;2]. L'aire du domaine vaut donc A=∫01(1−x2) dx+∫12(x2−1) dx=23+43=2 u.a.\mathcal{A} = \int_0^1 (1 - x^2)\,dx + \int_1^2 (x^2 - 1)\,dx = \frac23 + \frac43 = 2 \text{ u.a.} L'intégrale (23\frac23) n'est pas l'aire (22) : elle compte négativement la partie située sous l'axe.

4.2 Aire entre deux courbes

Propriété. Soient ff et gg continues sur [a;b][a;b], a<ba < b, avec g≤fg \leq f sur [a;b][a;b]. L'aire du domaine limité par les deux courbes et les droites x=ax = a et x=bx = b vaut A=∫ab(f(x)−g(x)) dx u.a.\mathcal{A} = \int_a^b \big(f(x) - g(x)\big)\,dx \text{ u.a.}

Justification. Si 0≤g≤f0 \leq g \leq f, c'est la différence entre l'aire sous la courbe de ff et l'aire sous la courbe de gg. Sinon, on ajoute une même constante kk aux deux fonctions pour les rendre positives : le domaine est seulement translaté vers le haut, son aire ne change pas, et (f+k)−(g+k)=f−g(f + k) - (g + k) = f - g.

Méthode.

  1. On cherche les abscisses des points d'intersection : f(x)=g(x)f(x) = g(x).
  2. On étudie le signe de f(x)−g(x)f(x) - g(x) pour savoir quelle courbe est au-dessus.
  3. On intègre « la courbe du haut moins la courbe du bas ».

Exemple 2. Aire du domaine limité par la parabole P:y=4−x2\mathcal{P} : y = 4 - x^2 et la droite D:y=x+2\mathcal{D} : y = x + 2.

Intersections. 4−x2=x+2  ⟺  x2+x−2=0  ⟺  x=14 - x^2 = x + 2 \iff x^2 + x - 2 = 0 \iff x = 1 ou x=−2x = -2.

Position. (4−x2)−(x+2)=2−x−x2=−(x−1)(x+2)(4 - x^2) - (x + 2) = 2 - x - x^2 = -(x - 1)(x + 2), positif sur [−2;1][-2;1] : la parabole est au-dessus.

Aire. A=∫−21(2−x−x2) dx=[2x−x22−x33]−21=76−(−103)=92 u.a.\mathcal{A} = \int_{-2}^{1} (2 - x - x^2)\,dx = \left[2x - \frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\right]_{-2}^{1} = \frac76 - \left(-\frac{10}{3}\right) = \frac92 \text{ u.a.}

Exemple 3 (courbe et asymptote). Soit f(x)=x+1+ln⁡xxf(x) = x + 1 + \dfrac{\ln x}{x} sur ]0;+∞[]0;+\infty[, dont la courbe admet la droite Δ:y=x+1\Delta : y = x + 1 pour asymptote en +∞+\infty. Aire du domaine limité par la courbe, Δ\Delta et les droites x=1x = 1 et x=ex = e.

f(x)−(x+1)=ln⁡xx≥0f(x) - (x + 1) = \dfrac{\ln x}{x} \geq 0 sur [1;e][1;e] : la courbe est au-dessus de Δ\Delta. Forme u′uu'u avec u=ln⁡xu = \ln x : A=∫1eln⁡xx dx=[(ln⁡x)22]1e=12 u.a.\mathcal{A} = \int_1^e \frac{\ln x}{x}\,dx = \left[\frac{(\ln x)^2}{2}\right]_1^e = \frac12 \text{ u.a.}

4.3 Les unités

Si le repère a pour unités ∥OI→∥=p\|\overrightarrow{OI}\| = p cm et ∥OJ→∥=q\|\overrightarrow{OJ}\| = q cm, alors 11 u.a. =p×q= p \times q cm².

Exemple 4. Dans l'exemple 2, avec un repère d'unités 22 cm en abscisse et 33 cm en ordonnée, 11 u.a. =6= 6 cm², et l'aire vaut 92×6=27\dfrac92 \times 6 = 27 cm².

À retenir. Au bac, une aire se donne toujours avec son unité : en u.a., puis en cm² si le repère est précisé.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 6 et 7

  • Exercice 6 : aires de domaines
  • Exercice 7 : aire d'un domaine illimité

Exercices du chapitre (PDF, 533 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 658 Ko)

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