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Leçon 1

L'intégrale d'une fonction continue

Vidéo 1 : L'intégrale d'une fonction continue · 4 min 22 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Définition

Soit ff une fonction continue sur un intervalle II, et aa, bb deux réels de II. La fonction ff admet des primitives sur II. Si FF et GG sont deux d'entre elles, il existe une constante CC telle que G=F+CG = F + C, donc G(b)−G(a)=(F(b)+C)−(F(a)+C)=F(b)−F(a).G(b) - G(a) = \big(F(b) + C\big) - \big(F(a) + C\big) = F(b) - F(a). Le nombre F(b)−F(a)F(b) - F(a) ne dépend donc pas de la primitive choisie.

Définition. Soit ff une fonction continue sur un intervalle II, aa et bb deux réels de II, et FF une primitive de ff sur II. On appelle intégrale de aa à bb de ff le réel F(b)−F(a)F(b) - F(a). On le note ∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a).\int_a^b f(x)\,dx = \Big[F(x)\Big]_a^b = F(b) - F(a).

Vocabulaire et notations.

  • aa et bb sont les bornes de l'intégrale. On ne suppose pas a<ba < b.
  • La lettre xx est une variable muette : ∫abf(x) dx=∫abf(t) dt=∫abf(u) du\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b f(t)\,dt = \int_a^b f(u)\,du. Le symbole dxdx indique la variable par rapport à laquelle on intègre.
  • Directement à partir de la définition : ∫aaf(x) dx=0\displaystyle\int_a^a f(x)\,dx = 0 et ∫baf(x) dx=−∫abf(x) dx\displaystyle\int_b^a f(x)\,dx = -\int_a^b f(x)\,dx.

Méthode. Pour calculer une intégrale : on cherche une primitive FF (chapitres 2 et 3), on l'écrit entre crochets, puis on calcule F(b)−F(a)F(b) - F(a), la borne du haut moins la borne du bas.

1.2 Premiers calculs

Exemple 1. ∫02x2 dx=[x33]02=83−0=83.\displaystyle\int_0^2 x^2\,dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3} - 0 = \frac83.

Exemple 2. ∫0πsin⁡x dx=[−cos⁡x]0π=−cos⁡π−(−cos⁡0)=1+1=2.\displaystyle\int_0^{\pi} \sin x\,dx = \Big[-\cos x\Big]_0^{\pi} = -\cos\pi - (-\cos 0) = 1 + 1 = 2.

Exemple 3. ∫1e1x dx=[ln⁡x]1e=ln⁡e−ln⁡1=1\displaystyle\int_1^e \frac{1}{x}\,dx = \Big[\ln x\Big]_1^e = \ln e - \ln 1 = 1 et ∫01ex dx=[ex]01=e−1.\displaystyle\int_0^1 e^x\,dx = \Big[e^x\Big]_0^1 = e - 1.

Exemple 4. ∫20x dx=[x22]20=0−2=−2.\displaystyle\int_2^0 x\,dx = \left[\frac{x^2}{2}\right]_2^0 = 0 - 2 = -2. La borne du bas est plus grande que celle du haut : on calcule quand même « haut moins bas ».

Erreur fréquente. Oublier les crochets et écrire directement x33\frac{x^3}{3} : une intégrale est un nombre, pas une fonction.

1.3 Interprétation graphique : l'aire sous la courbe

Le plan est muni d'un repère orthogonal (O,I,J)(O, I, J). L'unité d'aire (notée u.a.) est l'aire du rectangle construit sur OIOI et OJOJ.

Propriété (interprétation géométrique). Soit ff une fonction continue et positive sur [a;b][a;b], avec a<ba < b. L'intégrale ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx est l'aire, en unités d'aire, du domaine D\mathcal{D} limité par la courbe de ff, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=ax = a et x=bx = b.

Pourquoi ? (idée de la démonstration). Pour xx dans [a;b][a;b], notons A(x)A(x) l'aire du domaine compris entre aa et xx. Quand on passe de xx à x+hx + h (h>0h > 0 petit), on ajoute une bande étroite. Si mhm_h et MhM_h sont la plus petite et la plus grande valeur de ff sur [x;x+h][x;x+h], cette bande contient un rectangle d'aire mh×hm_h \times h et elle est contenue dans un rectangle d'aire Mh×hM_h \times h : mh≤A(x+h)−A(x)h≤Mh.m_h \leq \frac{A(x+h) - A(x)}{h} \leq M_h. Comme ff est continue, mhm_h et MhM_h tendent vers f(x)f(x) quand hh tend vers 00. Donc A′(x)=f(x)A'(x) = f(x) : la fonction aire AA est une primitive de ff, et A(a)=0A(a) = 0. Ainsi A(b)=A(b)−A(a)=∫abf(x) dxA(b) = A(b) - A(a) = \displaystyle\int_a^b f(x)\,dx.

Exemple 5 (vérification par la géométrie). ∫02(x+1) dx=[x22+x]02=2+2=4.\displaystyle\int_0^2 (x+1)\,dx = \left[\frac{x^2}{2} + x\right]_0^2 = 2 + 2 = 4.

Le domaine est un trapèze de bases f(0)=1f(0) = 1 et f(2)=3f(2) = 3, et de hauteur 22. Son aire vaut (1+3)×22=4\dfrac{(1 + 3) \times 2}{2} = 4 u.a. Les deux calculs concordent.

Exemple 6. D'après l'exemple 1, le domaine sous la parabole y=x2y = x^2, entre x=0x = 0 et x=2x = 2, a pour aire 83≈2,67\dfrac83 \approx 2{,}67 u.a. D'après l'exemple 2, une arche de sinusoïde a pour aire exactement 22 u.a.

Une intégrale sans primitive connue. L'aire donne parfois la valeur d'une intégrale qu'on ne sait pas calculer avec une primitive. La courbe de x↦4−x2x \mapsto \sqrt{4 - x^2} sur [−2;2][-2;2] est le demi-cercle de centre OO et de rayon 22 (au-dessus de l'axe). Donc, dans un repère orthonormé, ∫−224−x2 dx=π×222=2π.\int_{-2}^{2} \sqrt{4 - x^2}\,dx = \frac{\pi \times 2^2}{2} = 2\pi.

1.4 La fonction x↦∫axf(t) dtx \mapsto \displaystyle\int_a^x f(t)\,dt

Théorème (programme officiel). Soit ff une fonction continue sur un intervalle II contenant le point aa. La fonction Φ:x↦∫axf(t) dt\Phi : x \mapsto \int_a^x f(t)\,dt est l'unique primitive de ff sur II qui prend la valeur 00 au point aa.

Démonstration. Soit FF une primitive de ff sur II. Pour tout xx de II, Φ(x)=F(x)−F(a)\Phi(x) = F(x) - F(a). La fonction Φ\Phi diffère de FF d'une constante : c'est une primitive de ff, et Φ(a)=0\Phi(a) = 0. Elle est unique, car une primitive est déterminée par sa valeur en un point (chapitre 2).

Conséquence. Φ\Phi est dérivable sur II et Φ′(x)=f(x)\Phi'(x) = f(x). On peut donc étudier Φ\Phi sans connaître de formule pour elle.

Exemple 7. Pour x>0x > 0, ln⁡x=∫1x1t dt\displaystyle\ln x = \int_1^x \frac{1}{t}\,dt : c'est la définition du chapitre 3 (la primitive de 1t\frac1t qui s'annule en 11), écrite avec une intégrale.

Exemple 8. Soit G(x)=∫0xe−t2 dtG(x) = \displaystyle\int_0^x e^{-t^2}\,dt pour xx réel. On ne connaît aucune formule pour GG. Pourtant :

  • GG est la primitive de x↦e−x2x \mapsto e^{-x^2} qui s'annule en 00 ;
  • G′(x)=e−x2>0G'(x) = e^{-x^2} > 0, donc GG est strictement croissante sur R\mathbb{R} ;
  • comme G(0)=0G(0) = 0, on a G(x)>0G(x) > 0 pour x>0x > 0 et G(x)<0G(x) < 0 pour x<0x < 0.

Interprétation physique. Si un mobile se déplace sur un axe, avec une position x(t)x(t) et une vitesse v(t)=x′(t)v(t) = x'(t) continue, alors xx est une primitive de vv et ∫t1t2v(t) dt=x(t2)−x(t1):\int_{t_1}^{t_2} v(t)\,dt = x(t_2) - x(t_1) : l'intégrale de la vitesse est le déplacement entre les instants t1t_1 et t2t_2.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : calculer des intégrales
  • Exercice 2 : aire, géométrie et fonction définie par une intégrale

Exercices du chapitre (PDF, 533 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 658 Ko)

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