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Leçon 3

Calculer une intégrale

Vidéo 3 : Calculer une intégrale · 3 min 54 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 Avec une primitive

Tout repose sur les primitives des chapitres 2 et 3. Dans le tableau, uu est dérivable sur l'intervalle de travail, de dérivée continue.

Fonction Une primitive Condition
xnx^n (nn entier, n≠−1n \neq -1) xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1} x≠0x \neq 0 si n<0n < 0
1x\dfrac{1}{\sqrt x} 2x2\sqrt x x>0x > 0
1x\dfrac{1}{x} ln⁡∣x∣\ln\lvert x\rvert x≠0x \neq 0
exe^x exe^x
cos⁡x\cos x, sin⁡x\sin x sin⁡x\sin x, −cos⁡x-\cos x
f(ax+b)f(ax+b), a≠0a \neq 0 1aF(ax+b)\dfrac1a F(ax+b) FF primitive de ff
u′uru'u^r (rr rationnel, r≠−1r \neq -1) ur+1r+1\dfrac{u^{r+1}}{r+1} u>0u > 0 si rr n'est pas entier
u′u\dfrac{u'}{\sqrt u} 2u2\sqrt u u>0u > 0
u′u\dfrac{u'}{u} ln⁡∣u∣\ln\lvert u\rvert uu ne s'annule pas
u′euu'e^u eue^u
u′cos⁡uu'\cos u, u′sin⁡uu'\sin u sin⁡u\sin u, −cos⁡u-\cos u

Méthode. On reconnaît la forme, on fait apparaître u′u' en ajustant une constante si besoin, puis on écrit la primitive entre crochets.

Exemple 1. ∫012xx2+1 dx=[ln⁡(x2+1)]01=ln⁡2\displaystyle\int_0^1 \frac{2x}{x^2+1}\,dx = \Big[\ln(x^2+1)\Big]_0^1 = \ln 2 : forme u′u\frac{u'}{u} avec u=x2+1>0u = x^2 + 1 > 0.

Exemple 2. ∫01x ex2 dx=12∫012x ex2 dx=[12ex2]01=e−12\displaystyle\int_0^1 x\,e^{x^2}\,dx = \frac12\int_0^1 2x\,e^{x^2}\,dx = \left[\frac12 e^{x^2}\right]_0^1 = \frac{e - 1}{2} : forme u′euu'e^u avec u=x2u = x^2.

Exemple 3. ∫0π2sin⁡xcos⁡2x dx\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin x\cos^2 x\,dx. Avec u=cos⁡xu = \cos x, u′=−sin⁡xu' = -\sin x, donc sin⁡xcos⁡2x=−u′u2\sin x\cos^2 x = -u'u^2 : ∫0π2sin⁡xcos⁡2x dx=[−cos⁡3x3]0π2=0−(−13)=13.\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin x\cos^2 x\,dx = \left[-\frac{\cos^3 x}{3}\right]_0^{\frac{\pi}{2}} = 0 - \left(-\frac13\right) = \frac13.

Exemple 4. ∫01(2x+1)3 dx=[(2x+1)48]01=81−18=10\displaystyle\int_0^1 (2x+1)^3\,dx = \left[\frac{(2x+1)^4}{8}\right]_0^1 = \frac{81 - 1}{8} = 10 : forme f(ax+b)f(ax+b), une primitive de u3u^3 étant u44\frac{u^4}{4}, et 14×12=18\frac14 \times \frac12 = \frac18.

3.2 Transformer l'écriture d'abord

Quand aucune forme n'apparaît, on transforme l'expression. L'énoncé donne en général l'indication.

Exemple 5. Avec cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2\cos^2 x = \dfrac{1 + \cos(2x)}{2} : ∫0πcos⁡2x dx=[x2+sin⁡(2x)4]0π=π2.\int_0^{\pi} \cos^2 x\,dx = \left[\frac{x}{2} + \frac{\sin(2x)}{4}\right]_0^{\pi} = \frac{\pi}{2}.

Exemple 6. Pour x≠−1x \neq -1, xx+1=1−1x+1\dfrac{x}{x+1} = 1 - \dfrac{1}{x+1}. Donc ∫01xx+1 dx=[x−ln⁡(x+1)]01=1−ln⁡2.\int_0^1 \frac{x}{x+1}\,dx = \Big[x - \ln(x+1)\Big]_0^1 = 1 - \ln 2.

3.3 Intégration par parties

Théorème. Soient uu et vv deux fonctions dérivables sur un intervalle II, de dérivées u′u' et v′v' continues sur II, et aa, bb deux réels de II. 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.

Démonstration. La fonction uvuv est dérivable et (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv', qui est continue. Donc uvuv est une primitive de u′v+uv′u'v + uv' : ∫ab(u′(x)v(x)+u(x)v′(x)) dx=[u(x)v(x)]ab.\int_a^b \big(u'(x)v(x) + u(x)v'(x)\big)\,dx = \Big[u(x)v(x)\Big]_a^b. On conclut par linéarité.

Méthode.

  1. On écrit la fonction à intégrer comme un produit u×v′u \times v'.
  2. On choisit pour uu le facteur qui se simplifie quand on le dérive (un polynôme, ou ln⁡x\ln x), et pour v′v' un facteur dont on connaît une primitive vv (exe^x, sin⁡x\sin x, cos⁡x\cos x…).
  3. On écrit les quatre fonctions uu, u′u', v′v', vv, puis on applique la formule.

Exemple 7. ∫01x ex dx\displaystyle\int_0^1 x\,e^x\,dx. On pose u(x)=xu(x) = x, v′(x)=exv'(x) = e^x ; d'où u′(x)=1u'(x) = 1, v(x)=exv(x) = e^x. ∫01x ex dx=[x ex]01−∫01ex dx=e−(e−1)=1.\int_0^1 x\,e^x\,dx = \Big[x\,e^x\Big]_0^1 - \int_0^1 e^x\,dx = e - (e - 1) = 1.

Exemple 8. ∫0πxsin⁡x dx\displaystyle\int_0^{\pi} x\sin x\,dx. On pose u(x)=xu(x) = x, v′(x)=sin⁡xv'(x) = \sin x ; d'où u′(x)=1u'(x) = 1, v(x)=−cos⁡xv(x) = -\cos x. ∫0πxsin⁡x dx=[−xcos⁡x]0π+∫0πcos⁡x dx=π+[sin⁡x]0π=π.\int_0^{\pi} x\sin x\,dx = \Big[-x\cos x\Big]_0^{\pi} + \int_0^{\pi} \cos x\,dx = \pi + \Big[\sin x\Big]_0^{\pi} = \pi.

Exemple 9 (le logarithme). ∫1eln⁡x dx\displaystyle\int_1^e \ln x\,dx. On écrit ln⁡x=ln⁡x×1\ln x = \ln x \times 1 et on pose u(x)=ln⁡xu(x) = \ln x, v′(x)=1v'(x) = 1 ; d'où u′(x)=1xu'(x) = \frac1x, v(x)=xv(x) = x. ∫1eln⁡x dx=[xln⁡x]1e−∫1e1x×x dx=e−(e−1)=1.\int_1^e \ln x\,dx = \Big[x\ln x\Big]_1^e - \int_1^e \frac1x \times x\,dx = e - (e - 1) = 1. Le même calcul, de 11 à xx, montre que x↦xln⁡x−xx \mapsto x\ln x - x est une primitive de ln⁡\ln sur ]0;+∞[]0;+\infty[.

Exemple 10 (deux intégrations par parties). ∫01x2ex dx\displaystyle\int_0^1 x^2e^x\,dx. On pose u(x)=x2u(x) = x^2, v′(x)=exv'(x) = e^x ; d'où u′(x)=2xu'(x) = 2x, v(x)=exv(x) = e^x. ∫01x2ex dx=[x2ex]01−2∫01x ex dx=e−2×1=e−2,\int_0^1 x^2e^x\,dx = \Big[x^2e^x\Big]_0^1 - 2\int_0^1 x\,e^x\,dx = e - 2 \times 1 = e - 2, en utilisant l'exemple 7 pour la dernière intégrale.

Erreur fréquente. Choisir u(x)=exu(x) = e^x et v′(x)=xv'(x) = x dans l'exemple 7 : on obtient ∫x22ex dx\int \frac{x^2}{2}e^x\,dx, plus compliquée que l'intégrale de départ. Si le calcul se complique, on échange les rôles.

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Exercices 4 et 5

  • Exercice 4 : avec une primitive
  • Exercice 5 : intégration par parties

Exercices du chapitre (PDF, 533 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 658 Ko)

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