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Intégrales — cours

4ème année (Bac) · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Primitives et constante d'intégration

Si FF et GG sont deux primitives d'une même fonction ff sur un intervalle II, elles diffèrent d'une constante réelle CC :

G(x)=F(x)+CG(x) = F(x) + C

Pour deux réels aa et bb de II, que vaut la différence G(b)−G(a)G(b) - G(a) exprimée avec FF ?

Remarque

Les constantes s'éliminent par soustraction : (F(b)+C)−(F(a)+C)=F(b)−F(a)(F(b)+C) - (F(a)+C) = F(b) - F(a). La variation entre deux points ne dépend donc pas de la primitive choisie.

Point de départ · 2

La notation intégrale

Pour désigner le nombre F(b)−F(a)F(b) - F(a) associé à une fonction continue ff, on utilise une notation dédiée :

∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx

Dans cette écriture, la lettre xx est une variable muette. Laquelle de ces expressions représente exactement le même nombre réel ?

Remarque

Le nom de la variable d'intégration ne modifie pas la valeur : ∫abf(x) dx=∫abf(t) dt=∫abf(u) du\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b f(t)\,dt = \int_a^b f(u)\,du.

Définition · 3

Définition de l'intégrale définie

f est une fonction continue sur un intervalle I, et a,b∈If \text{ est une fonction continue sur un intervalle } I, \text{ et } a, b \in I

∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\,dx = [F(x)]_a^b = F(b) - F(a)

Le symbole [F(x)]ab[F(x)]_a^b est un crochet de primitive. Il se lit « F(x)F(x) pris entre aa et bb ».

Lorsque a≤ba \le b et que ff est positive sur [a;b][a;b], ce nombre réel mesure l'aire, exprimée en unités d'aire (u.a.), du domaine situé sous la courbe de ff entre les droites x=ax=a et x=bx=b.

Exemple travaillé · 4

Calcul direct d'une intégrale polynomiale

Calculer l'intégrale I=∫−12(x2−4x+3) dxI = \int_{-1}^2 (x^2 - 4x + 3)\,dx.

1

On détermine une primitive FF du polynôme x2−4x+3x^2 - 4x + 3 sur R\mathbb{R} :

2
F(x)=x33−2x2+3xF(x) = \frac{x^3}{3} - 2x^2 + 3x
3

On pose le crochet entre les bornes −1-1 et 22 :

4
I=[x33−2x2+3x]−12I = \left[\frac{x^3}{3} - 2x^2 + 3x\right]_{-1}^2
5

On évalue FF en la borne supérieure 22 :

6
F(2)=233−2(22)+3(2)=83−8+6=23F(2) = \frac{2^3}{3} - 2(2^2) + 3(2) = \frac{8}{3} - 8 + 6 = \frac{2}{3}
7

On évalue FF en la borne inférieure −1-1 :

8
F(−1)=(−1)33−2(−1)2+3(−1)=−13−2−3=−163F(-1) = \frac{(-1)^3}{3} - 2(-1)^2 + 3(-1) = -\frac{1}{3} - 2 - 3 = -\frac{16}{3}
9

On effectue la soustraction F(2)−F(−1)F(2) - F(-1) :

10
I=23−(−163)=183=6I = \frac{2}{3} - \left(-\frac{16}{3}\right) = \frac{18}{3} = 6

Exemple travaillé · 5

Ajustement de constante pour une forme dérivée

Calculer l'intégrale J=∫023x(x2+1)2 dxJ = \int_0^2 \frac{3x}{(x^2+1)^2}\,dx.

1

On pose u(x)=x2+1u(x) = x^2 + 1, de dérivée u′(x)=2xu'(x) = 2x.

2

On ajuste la constante au numérateur pour faire apparaître la forme u′u2\frac{u'}{u^2} :

3
3x(x2+1)2=32⋅2x(x2+1)2=32⋅u′(x)u2(x)\frac{3x}{(x^2+1)^2} = \frac{3}{2} \cdot \frac{2x}{(x^2+1)^2} = \frac{3}{2} \cdot \frac{u'(x)}{u^2(x)}
4

Une primitive sur [0;2][0;2] est donc :

5
F(x)=−32⋅1x2+1F(x) = -\frac{3}{2} \cdot \frac{1}{x^2+1}
6

On calcule la valeur du crochet aux bornes 00 et 22 :

7
J=[−32(x2+1)]02=−32(5)−(−32(1))=−310+32=65J = \left[-\frac{3}{2(x^2+1)}\right]_0^2 = -\frac{3}{2(5)} - \left(-\frac{3}{2(1)}\right) = -\frac{3}{10} + \frac{3}{2} = \frac{6}{5}

Piège classique · 6

Pour la fonction F(x)=x2−2xF(x) = x^2 - 2x, quelle est la valeur exacte du crochet [x2−2x]−12[x^2 - 2x]_{-1}^2 ?

Attention

Calculer F(−1)=−1−2=−3F(-1) = -1 - 2 = -3 en oubliant que (−1)2=1(-1)^2 = 1, ce qui donne 0−(−3)=30 - (-3) = 3.

À la place : On a (−1)2=1(-1)^2 = 1, donc F(−1)=1−2(−1)=1+2=3F(-1) = 1 - 2(-1) = 1 + 2 = 3. La formule impose F(2)−F(−1)=0−3=−3F(2) - F(-1) = 0 - 3 = -3.

Vérification · 7

Calculer la valeur exacte de l'intégrale ∫13(2x−1) dx\int_1^3 (2x - 1)\,dx.

Remarque

Une primitive de 2x−12x - 1 sur R\mathbb{R} est F(x)=x2−xF(x) = x^2 - x. On évalue le crochet : [x2−x]13=(32−3)−(12−1)=(9−3)−(1−1)=6−0=6[x^2 - x]_1^3 = (3^2 - 3) - (1^2 - 1) = (9 - 3) - (1 - 1) = 6 - 0 = 6.

Point de départ · 8

Aire et compensation algébrique

On considère la fonction f(x)=xf(x) = x sur l'intervalle [−1;1][-1; 1]. Sa droite délimite avec l'axe des abscisses deux triangles symétriques par rapport à l'origine.

∫−11x dx=[x22]−11=12−12=0\int_{-1}^1 x\,dx = \left[\frac{x^2}{2}\right]_{-1}^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{2} = 0

L'aire géométrique totale de la surface coloriée entre x=−1x = -1 et x=1x = 1 est-elle égale à 00 ?

Remarque

Une aire géométrique est toujours strictement positive pour une surface non vide. L'intégrale brute effectue un bilan algébrique : la zone située sous l'axe (comptée négativement) a compensé la zone située au-dessus (comptée positivement).

Définition · 9

Aire géométrique d'une courbe de signe quelconque

f est continue sur [a;b] avec a≤bf \text{ est continue sur } [a; b] \text{ avec } a \le b

A=∫ab∣f(x)∣ dx\mathcal{A} = \int_a^b |f(x)|\,dx

L'aire (en unités d'aire) du domaine délimité par la courbe de ff, l'axe des abscisses et les droites verticales x=ax = a et x=bx = b est l'intégrale de la valeur absolue ∣f(x)∣|f(x)|.

Pour expliciter ce calcul sans valeur absolue, on étudie le signe de f(x)f(x) sur [a;b][a; b] et on découpe l'intégrale par la relation de Chasles en chaque zéro de ff :

Si f≤0 sur [a;c] et f≥0 sur [c;b],A=∫ac−f(x) dx+∫cbf(x) dx\text{Si } f \le 0 \text{ sur } [a; c] \text{ et } f \ge 0 \text{ sur } [c; b], \quad \mathcal{A} = \int_a^c -f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx

Exemple travaillé · 10

Découpage d'intégrale pour une fonction changeant de signe

Calculer l'aire A\mathcal{A} de la région du plan limitée par la courbe de f(x)=x2−2xf(x) = x^2 - 2x, l'axe des abscisses et les droites d'équations x=0x = 0 et x=3x = 3.

1

On factorise f(x)=x(x−2)f(x) = x(x-2) pour déterminer son signe sur [0;3][0; 3] :

2

Sur [0;2][0; 2], f(x)≤0f(x) \le 0, donc ∣f(x)∣=−(x2−2x)=2x−x2|f(x)| = -(x^2 - 2x) = 2x - x^2.

3

Sur [2;3][2; 3], f(x)≥0f(x) \ge 0, donc ∣f(x)∣=x2−2x|f(x)| = x^2 - 2x.

4

On applique la relation de Chasles au point d'annulation x=2x = 2 :

5
A=∫02(2x−x2) dx+∫23(x2−2x) dx\mathcal{A} = \int_0^2 (2x - x^2)\,dx + \int_2^3 (x^2 - 2x)\,dx
6

On calcule l'aire de la portion située sous l'axe :

7
∫02(2x−x2) dx=[x2−x33]02=4−83=43\int_0^2 (2x - x^2)\,dx = \left[x^2 - \frac{x^3}{3}\right]_0^2 = 4 - \frac{8}{3} = \frac{4}{3}
8

On calcule l'aire de la portion située au-dessus de l'axe :

9
∫23(x2−2x) dx=[x33−x2]23=(9−9)−(83−4)=43\int_2^3 (x^2 - 2x)\,dx = \left[\frac{x^3}{3} - x^2\right]_2^3 = (9 - 9) - \left(\frac{8}{3} - 4\right) = \frac{4}{3}
10

On additionne les deux aires partielles :

11
A=43+43=83 u.a.\mathcal{A} = \frac{4}{3} + \frac{4}{3} = \frac{8}{3}\text{ u.a.}

Exemple travaillé · 11

Aire entre deux courbes qui se croisent

Calculer l'aire A\mathcal{A} de la région délimitée par les courbes de f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x et g(x)=cos⁡xg(x) = \cos x entre les droites x=0x = 0 et x=π2x = \frac{\pi}{2}.

1

L'aire délimitée entre deux courbes est donnée par A=∫0π2∣cos⁡x−sin⁡x∣ dx\mathcal{A} = \int_0^{\frac{\pi}{2}} |\cos x - \sin x|\,dx.

2

On détermine le point d'intersection des deux courbes sur [0;π2][0; \frac{\pi}{2}] :

3
cos⁡x=sin⁡x  ⟺  x=π4\cos x = \sin x \iff x = \frac{\pi}{4}
4

On étudie la position relative des deux courbes :

5

Sur [0;π4][0; \frac{\pi}{4}], cos⁡x≥sin⁡x\cos x \ge \sin x, donc ∣cos⁡x−sin⁡x∣=cos⁡x−sin⁡x|\cos x - \sin x| = \cos x - \sin x.

6

Sur [π4;π2][\frac{\pi}{4}; \frac{\pi}{2}], sin⁡x≥cos⁡x\sin x \ge \cos x, donc ∣cos⁡x−sin⁡x∣=sin⁡x−cos⁡x|\cos x - \sin x| = \sin x - \cos x.

7

On découpe l'intégrale en π4\frac{\pi}{4} avec la relation de Chasles :

8
A=∫0π4(cos⁡x−sin⁡x) dx+∫π4π2(sin⁡x−cos⁡x) dx\mathcal{A} = \int_0^{\frac{\pi}{4}} (\cos x - \sin x)\,dx + \int_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} (\sin x - \cos x)\,dx
9

On calcule chaque crochet de primitive :

10
[sin⁡x+cos⁡x]0π4=(22+22)−(0+1)=2−1[\sin x + \cos x]_0^{\frac{\pi}{4}} = \left(\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2}\right) - (0 + 1) = \sqrt{2} - 1
11
[−cos⁡x−sin⁡x]π4π2=(0−1)−(−22−22)=2−1[-\cos x - \sin x]_{\frac{\pi}{4}}^{\frac{\pi}{2}} = (0 - 1) - \left(-\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \sqrt{2} - 1
12

On conclut par la somme des deux intégrales :

13
A=(2−1)+(2−1)=22−2 u.a.\mathcal{A} = (\sqrt{2} - 1) + (\sqrt{2} - 1) = 2\sqrt{2} - 2\text{ u.a.}

Piège classique · 12

On cherche l'aire délimitée par la courbe de f(x)=x3f(x) = x^3, l'axe des abscisses et les droites x=−1x = -1 et x=1x = 1. Quelle démarche donne la valeur exacte de l'aire ?

Attention

Calculer directement ∫−11x3 dx=[x44]−11=0 u.a.\int_{-1}^1 x^3\,dx = \left[\frac{x^4}{4}\right]_{-1}^1 = 0\text{ u.a.} sans tenir compte du changement de signe en 00.

À la place : La fonction x3x^3 est négative sur [−1;0][-1; 0] et positive sur [0;1][0; 1]. L'aire exacte vaut ∫−10(−x3) dx+∫01x3 dx=14+14=12 u.a.\int_{-1}^0 (-x^3)\,dx + \int_0^1 x^3\,dx = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{1}{2}\text{ u.a.}

Vérification · 13

Quelle est l'aire A\mathcal{A} de la région du plan limitée par la courbe de f(x)=x2−1f(x) = x^2 - 1, l'axe des abscisses et les droites x=0x = 0 et x=2x = 2 ?

Remarque

Sur [0;1][0; 1], x2−1≤0x^2 - 1 \le 0, donc l'aire vaut ∫01(1−x2) dx=[x−x33]01=23\int_0^1 (1 - x^2)\,dx = [x - \frac{x^3}{3}]_0^1 = \frac{2}{3}. Sur [1;2][1; 2], x2−1≥0x^2 - 1 \ge 0, l'aire vaut ∫12(x2−1) dx=[x33−x]12=43\int_1^2 (x^2 - 1)\,dx = [\frac{x^3}{3} - x]_1^2 = \frac{4}{3}. L'aire totale vaut 23+43=2 u.a.\frac{2}{3} + \frac{4}{3} = 2\text{ u.a.} L'intégrale directe aurait donné 23\frac{2}{3}, faussée par compensation.

Point de départ · 14

Dériver sans calculer de primitive

On considère la fonction définie sur R\mathbb{R} par :

F(x)=∫0xdtt4+1F(x) = \int_0^x \frac{dt}{\sqrt{t^4+1}}

Pour déterminer le sens de variation de FF, doit-on d'abord calculer une formule explicite pour l'intégrale ?

Remarque

Non. La fonction t↦1t4+1t \mapsto \frac{1}{\sqrt{t^4+1}} ne possède pas de primitive exprimable avec les fonctions usuelles du programme. En revanche, le théorème fondamental assure que FF est directement la primitive qui s'annule en 00 : sa dérivée est immédiatement F′(x)=1x4+1F'(x) = \frac{1}{\sqrt{x^4+1}}.

Définition · 15

Dérivation d'une fonction définie par une intégrale

f est une fonction continue sur un intervalle I, et a∈If \text{ est une fonction continue sur un intervalle } I, \text{ et } a \in I

F(x)=∫axf(t) dt  ⟹  F′(x)=f(x)F(x) = \int_a^x f(t)\,dt \implies F'(x) = f(x)

La fonction FF est l'unique primitive de ff sur II qui s'annule en aa.

u est une fonction deˊrivable sur J telle que u(J)⊂Iu \text{ est une fonction dérivable sur } J \text{ telle que } u(J) \subset I

G(x)=∫au(x)f(t) dt  ⟹  G′(x)=u′(x)⋅f(u(x))G(x) = \int_a^{u(x)} f(t)\,dt \implies G'(x) = u'(x) \cdot f(u(x))

Il s'agit de la dérivée de la fonction composée G=F∘uG = F \circ u, ce qui fait apparaître le facteur multiplicatif u′(x)u'(x) issu de la règle de dérivation en chaîne.

Exemple travaillé · 16

Variations d'une fonction intégrale à borne directe

Étudier le sens de variation de la fonction FF définie sur R\mathbb{R} par F(x)=∫0xdtt4+1F(x) = \int_0^x \frac{dt}{\sqrt{t^4+1}}.

1

Pour tout t∈Rt \in \mathbb{R}, t4+1≥1>0t^4 + 1 \ge 1 > 0, donc la fonction t↦1t4+1t \mapsto \frac{1}{\sqrt{t^4+1}} est continue sur R\mathbb{R}.

2

D'après le théorème fondamental de l'analyse, FF est dérivable sur R\mathbb{R} et sa fonction dérivée est donnée par :

3
F′(x)=1x4+1F'(x) = \frac{1}{\sqrt{x^4+1}}
4

Pour tout réel xx, la racine carrée est strictement positive :

5
F′(x)>0F'(x) > 0
6

La dérivée est strictement positive sur R\mathbb{R}, donc FF est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Exemple travaillé · 17

Dérivation avec borne supérieure composée

Soit la fonction GG définie sur [0;π4][0; \frac{\pi}{4}] par G(x)=∫0tan⁡xdt1+t2G(x) = \int_0^{\tan x} \frac{dt}{1+t^2}. Démontrer que GG est dérivable sur [0;π4][0; \frac{\pi}{4}] et déterminer sa fonction dérivée.

1

La fonction f:t↦11+t2f : t \mapsto \frac{1}{1+t^2} est continue sur R\mathbb{R}.

2

La fonction u:x↦tan⁡xu : x \mapsto \tan x est dérivable sur [0;π4][0; \frac{\pi}{4}], de dérivée u′(x)=1+tan⁡2xu'(x) = 1 + \tan^2 x, avec u([0;π4])=[0;1]⊂Ru([0; \frac{\pi}{4}]) = [0; 1] \subset \mathbb{R}.

3

Par dérivation d'une fonction composée, GG est dérivable sur [0;π4][0; \frac{\pi}{4}] et :

4
G′(x)=u′(x)⋅f(u(x))=(1+tan⁡2x)⋅11+(tan⁡x)2G'(x) = u'(x) \cdot f(u(x)) = (1 + \tan^2 x) \cdot \frac{1}{1 + (\tan x)^2}
5

On simplifie l'expression obtenue :

6
G′(x)=(1+tan⁡2x)⋅11+tan⁡2x=1G'(x) = (1 + \tan^2 x) \cdot \frac{1}{1 + \tan^2 x} = 1

Piège classique · 18

On considère la fonction HH définie sur ]0;+∞[]0; +\infty[ par H(x)=∫12x1t dtH(x) = \int_1^{2x} \frac{1}{t}\,dt. Quelle est l'expression de sa dérivée H′(x)H'(x) ?

Attention

Remplacer simplement tt par 2x2x pour écrire H′(x)=12xH'(x) = \frac{1}{2x}, en oubliant la dérivée de la borne u(x)=2xu(x) = 2x.

À la place : La borne supérieure est u(x)=2xu(x) = 2x, de dérivée u′(x)=2u'(x) = 2. La formule u′(x)⋅f(u(x))u'(x) \cdot f(u(x)) impose H′(x)=2×12x=1xH'(x) = 2 \times \frac{1}{2x} = \frac{1}{x}.

Vérification · 19

Soit la fonction KK définie sur R\mathbb{R} par K(x)=∫0x2dt1+t2K(x) = \int_0^{x^2} \frac{dt}{1+t^2}. Quelle est l'expression de K′(x)K'(x) pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} ?

Remarque

La borne supérieure est u(x)=x2u(x) = x^2, de dérivée u′(x)=2xu'(x) = 2x. En appliquant K′(x)=u′(x)⋅f(u(x))K'(x) = u'(x) \cdot f(u(x)), on obtient K′(x)=2x×11+(x2)2=2x1+x4K'(x) = 2x \times \frac{1}{1 + (x^2)^2} = \frac{2x}{1 + x^4}.

Point de départ · 20

Dériver un produit pour intégrer un produit

On sait que la dérivée d'un produit est (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'. En intégrant cette égalité sur [a;b][a; b], on obtient :

∫ab(u(t)v(t))′ dt=[u(t)v(t)]ab\int_a^b (u(t)v(t))'\,dt = [u(t)v(t)]_a^b

Si l'on cherche à isoler ∫abu(t)v′(t) dt\int_a^b u(t)v'(t)\,dt, quelle expression exacte obtient-on ?

Remarque

En transposant, ∫abu(t)v′(t) dt=[u(t)v(t)]ab−∫abu′(t)v(t) dt\int_a^b u(t)v'(t)\,dt = [u(t)v(t)]_a^b - \int_a^b u'(t)v(t)\,dt. On a transféré la dérivation de v′v' vers uu pour obtenir une intégrale souvent plus simple à calculer.

Définition · 21

Théorème d'intégration par parties

u et v sont deux fonctions deˊrivables sur [a;b], de deˊriveˊes u′ et v′ continues sur [a;b]u \text{ et } v \text{ sont deux fonctions dérivables sur } [a; b], \text{ de dérivées } u' \text{ et } v' \text{ continues sur } [a; b]

∫abu(t)v′(t) dt=[u(t)v(t)]ab−∫abu′(t)v(t) dt\int_a^b u(t)v'(t)\,dt = [u(t)v(t)]_a^b - \int_a^b u'(t)v(t)\,dt

Cette formule permet d'échanger l'intégrale du produit uv′u v' contre celle du produit u′vu' v.

Dans le cas d'un produit polynôme ×\times trigonométrique, on pose généralement pour u(t)u(t) le polynôme (son degré baisse d'une unité par dérivation) et pour v′(t)v'(t) le facteur dont on sait déterminer une primitive immédiatement.

Exemple travaillé · 22

Intégration par parties simple

Calculer l'intégrale I=∫0π2xcos⁡x dxI = \int_0^{\frac{\pi}{2}} x\cos x\,dx à l'aide d'une intégration par parties.

1

On choisit les deux fonctions : u(x)=xu(x) = x et v′(x)=cos⁡xv'(x) = \cos x.

2

On dérive uu et on détermine une primitive de v′v' : u′(x)=1u'(x) = 1 et v(x)=sin⁡xv(x) = \sin x. Les dérivées u′u' et v′v' sont continues sur [0;π2][0; \frac{\pi}{2}].

3

On applique la formule d'intégration par parties :

4
I=[xsin⁡x]0π2−∫0π21⋅sin⁡x dxI = [x\sin x]_0^{\frac{\pi}{2}} - \int_0^{\frac{\pi}{2}} 1 \cdot \sin x\,dx
5

On évalue le crochet aux bornes :

6
[xsin⁡x]0π2=(π2sin⁡π2)−(0⋅sin⁡0)=π2[x\sin x]_0^{\frac{\pi}{2}} = \left(\frac{\pi}{2}\sin\frac{\pi}{2}\right) - (0 \cdot \sin 0) = \frac{\pi}{2}
7

On calcule l'intégrale restante :

8
∫0π2sin⁡x dx=[−cos⁡x]0π2=−cos⁡π2−(−cos⁡0)=0−(−1)=1\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin x\,dx = [-\cos x]_0^{\frac{\pi}{2}} = -\cos\frac{\pi}{2} - (-\cos 0) = 0 - (-1) = 1
9

On effectue la soustraction finale :

10
I=π2−1I = \frac{\pi}{2} - 1

Exemple travaillé · 23

Intégration par parties avec un radical

Calculer l'intégrale A=∫03h1+h dhA = \int_0^3 \frac{h}{\sqrt{1+h}}\,dh à l'aide d'une intégration par parties.

1

On écrit l'intégrande sous forme de produit : h⋅11+hh \cdot \frac{1}{\sqrt{1+h}}.

2

On pose u(h)=hu(h) = h et v′(h)=11+hv'(h) = \frac{1}{\sqrt{1+h}}.

3

On calcule u′(h)=1u'(h) = 1 et une primitive v(h)=21+hv(h) = 2\sqrt{1+h}.

4

On applique la formule d'intégration par parties :

5
A=[2h1+h]03−∫0321+h dhA = [2h\sqrt{1+h}]_0^3 - \int_0^3 2\sqrt{1+h}\,dh
6

On calcule la valeur du crochet :

7
[2h1+h]03=2(3)4−0=12[2h\sqrt{1+h}]_0^3 = 2(3)\sqrt{4} - 0 = 12
8

On intègre le terme restant sous la forme 2(1+h)122(1+h)^{\frac{1}{2}} :

9
∫0321+h dh=[2⋅23(1+h)32]03=43(432−132)=43(8−1)=283\int_0^3 2\sqrt{1+h}\,dh = \left[2 \cdot \frac{2}{3}(1+h)^{\frac{3}{2}}\right]_0^3 = \frac{4}{3}\left(4^{\frac{3}{2}} - 1^{\frac{3}{2}}\right) = \frac{4}{3}(8 - 1) = \frac{28}{3}
10

On conclut par la différence :

11
A=12−283=83A = 12 - \frac{28}{3} = \frac{8}{3}

Piège classique · 24

Pour calculer l'intégrale K=∫01x1−x2 dxK = \int_0^1 x\sqrt{1-x^2}\,dx, quelle est la démarche la plus directe et adaptée ?

Attention

Poser immédiatement une intégration par parties avec u(x)=xu(x) = x et v′(x)=1−x2v'(x) = \sqrt{1-x^2}, ce qui mène à une impasse car 1−x2\sqrt{1-x^2} n'a pas de primitive polynomiale élémentaire.

À la place : Le facteur xx est, à un coefficient constant près, la dérivée du terme sous la racine : (1−x2)′=−2x(1-x^2)' = -2x. L'intégrande s'écrit −12(−2x)(1−x2)12-\frac{1}{2}(-2x)(1-x^2)^{\frac{1}{2}}, c'est-à-dire une forme usuelle −12w′(x)w(x)-\frac{1}{2}w'(x)\sqrt{w(x)} qui s'intègre directement sans intégration par parties.

Vérification · 25

On applique la formule d'intégration par parties à ∫0π(x+1)sin⁡x dx\int_0^\pi (x+1)\sin x\,dx en posant u(x)=x+1u(x) = x+1 et v′(x)=sin⁡xv'(x) = \sin x, donc v(x)=−cos⁡xv(x) = -\cos x. Quelle est l'égalité obtenue ?

Remarque

Une primitive de sin⁡x\sin x est −cos⁡x-\cos x. La formule [uv]0π−∫0πu′v dx[uv]_0^\pi - \int_0^\pi u'v\,dx donne [(x+1)(−cos⁡x)]0π−∫0π1⋅(−cos⁡x) dx[(x+1)(-\cos x)]_0^\pi - \int_0^\pi 1 \cdot (-\cos x)\,dx, ce qui s'écrit [−(x+1)cos⁡x]0π+∫0πcos⁡x dx[-(x+1)\cos x]_0^\pi + \int_0^\pi \cos x\,dx. L'oubli du signe moins de la primitive du sinus est l'erreur la plus fréquente.

Point de départ · 26

De la surface au solide de révolution

Lorsqu'on fait tourner une surface plane délimitée par une courbe y=f(x)y = f(x) autour de l'axe des abscisses (Ox)(Ox), on engendre un solide dans l'espace appelé solide de révolution.

Si l'on découpe ce solide perpendiculairement à l'axe (Ox)(Ox) en tranches infinitésimales de largeur dxdx, quelle est la forme géométrique de chaque tranche ?

Remarque

Chaque section plane perpendiculaire à (Ox)(Ox) est un disque circulaire de rayon R=f(x)R = f(x). L'aire de cette section est πR2=π[f(x)]2\pi R^2 = \pi [f(x)]^2. Le volume élémentaire d'une tranche d'épaisseur dxdx est donc celui d'un cylindre plat : dV=π[f(x)]2 dxdV = \pi [f(x)]^2\,dx.

Définition · 27

Volume d'un solide de révolution

f est une fonction continue sur [a;b] avec a≤bf \text{ est une fonction continue sur } [a; b] \text{ avec } a \le b

V=π∫ab[f(x)]2 dx\mathcal{V} = \pi \int_a^b [f(x)]^2\,dx

Ce volume est exprimé en unités de volume (notées u.v.).

Si le repère orthonormé de l'espace possède une unité graphique de longueur α cm\alpha\text{ cm} (soit ∥i⃗∥=α cm\|\vec{i}\| = \alpha\text{ cm}), l'unité de volume correspond au volume du cube d'arête α cm\alpha\text{ cm} :

1 u.v.=α3 cm31\text{ u.v.} = \alpha^3\text{ cm}^3

Exemple travaillé · 28

Calcul de volume et conversion en cm³

L'espace est rapporté à un repère orthonormé d'unité graphique 2 cm2\text{ cm}. On considère la fonction f(x)=xf(x) = \sqrt{x} sur [0;4][0; 4]. Calculer en cm3\text{cm}^3 le volume V\mathcal{V} du solide engendré par la rotation de la courbe de ff autour de l'axe (Ox)(Ox).

1

On exprime le volume en unités de volume avec la formule intégrale :

2
Vu.v.=π∫04[f(x)]2 dx=π∫04(x)2 dx=π∫04x dx\mathcal{V}_{\text{u.v.}} = \pi \int_0^4 [f(x)]^2\,dx = \pi \int_0^4 (\sqrt{x})^2\,dx = \pi \int_0^4 x\,dx
3

On calcule l'intégrale à l'aide d'une primitive de xx :

4
Vu.v.=π[x22]04=π(162−0)=8π u.v.\mathcal{V}_{\text{u.v.}} = \pi \left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4 = \pi \left(\frac{16}{2} - 0\right) = 8\pi\text{ u.v.}
5

L'unité graphique étant α=2 cm\alpha = 2\text{ cm}, l'unité de volume vaut :

6
1 u.v.=(2 cm)3=8 cm31\text{ u.v.} = (2\text{ cm})^3 = 8\text{ cm}^3
7

On convertit le volume en cm3\text{cm}^3 par multiplication par le facteur d'échelle cubique :

8
V=8π×8=64π cm3\mathcal{V} = 8\pi \times 8 = 64\pi\text{ cm}^3

Piège classique · 29

Volume entre deux surfaces de révolution

Soient ff et gg deux fonctions positives sur [a;b][a; b] vérifiant f(x)≥g(x)≥0f(x) \ge g(x) \ge 0. Quelle formule donne le volume du solide obtenu par rotation autour de (Ox)(Ox) de la région comprise entre les courbes de ff et de gg ?

Attention

Intégrer le carré de la différence : π∫ab(f(x)−g(x))2 dx\pi \int_a^b (f(x) - g(x))^2\,dx, par fausse analogie avec l'aire plane ∫∣f−g∣ dx\int |f - g|\,dx.

À la place : Le solide évidé est la soustraction géométrique de deux cylindres emboîtés : on soustrait les volumes, ce qui revient à intégrer la différence des carrés : V=π∫ab(f2(x)−g2(x)) dx\mathcal{V} = \pi \int_a^b (f^2(x) - g^2(x))\,dx.

Exemple travaillé · 30

Calcul du volume compris entre deux courbes

Calculer le volume V\mathcal{V} du solide engendré par la rotation autour de (Ox)(Ox) de la région délimitée par les courbes de f(x)=xf(x) = x et g(x)=x2g(x) = x^2 sur [0;1][0; 1].

1

Pour tout x∈[0;1]x \in [0; 1], x≥x2≥0x \ge x^2 \ge 0, donc f(x)≥g(x)≥0f(x) \ge g(x) \ge 0.

2

Le volume de la région évidée est donné par la différence des intégrales des carrés :

3
V=π∫01(f2(x)−g2(x)) dx=π∫01(x2−(x2)2) dx=π∫01(x2−x4) dx\mathcal{V} = \pi \int_0^1 (f^2(x) - g^2(x))\,dx = \pi \int_0^1 (x^2 - (x^2)^2)\,dx = \pi \int_0^1 (x^2 - x^4)\,dx
4

On détermine une primitive de x2−x4x^2 - x^4 sur [0;1][0; 1] :

5
V=π[x33−x55]01\mathcal{V} = \pi \left[\frac{x^3}{3} - \frac{x^5}{5}\right]_0^1
6

On évalue aux bornes 00 et 11 :

7
V=π((13−15)−(0−0))=π(5−315)=2π15 u.v.\mathcal{V} = \pi \left(\left(\frac{1}{3} - \frac{1}{5}\right) - (0 - 0)\right) = \pi \left(\frac{5 - 3}{15}\right) = \frac{2\pi}{15}\text{ u.v.}

Vérification · 31

Test de synthèse sur les volumes et unités

On fait tourner la courbe de la fonction constante f(x)=2f(x) = 2 sur l'intervalle [0;3][0; 3] autour de l'axe (Ox)(Ox). Le repère a pour unité graphique ∥i⃗∥=2 cm\|\vec{i}\| = 2\text{ cm}. Quel est le volume du solide obtenu en cm3\text{cm}^3 ?

Remarque

En unités de volume : Vu.v.=π∫0322 dx=π[4x]03=12π u.v.\mathcal{V}_{\text{u.v.}} = \pi \int_0^3 2^2\,dx = \pi [4x]_0^3 = 12\pi\text{ u.v.} L'unité graphique étant α=2 cm\alpha = 2\text{ cm}, l'unité de volume vaut 1 u.v.=(2 cm)3=8 cm31\text{ u.v.} = (2\text{ cm})^3 = 8\text{ cm}^3. Le volume réel en cm3\text{cm}^3 est donc 12π×8=96π cm312\pi \times 8 = 96\pi\text{ cm}^3.

Point de départ · 32

La hauteur d'un rectangle équivalent

Soit ff une fonction continue et positive sur [a;b][a; b]. L'aire sous la courbe est donnée par l'intégrale ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx.

On cherche la hauteur constante μ\mu d'un rectangle construit sur le segment [a;b][a; b] dont l'aire est exactement égale à l'aire sous la courbe :

(b−a)⋅μ=∫abf(x) dx(b - a) \cdot \mu = \int_a^b f(x)\,dx

Quelle formule permet d'exprimer cette hauteur moyenne μ\mu en fonction de l'intégrale ?

Remarque

En isolant μ\mu, on obtient μ=1b−a∫abf(x) dx\mu = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx. Ce nombre réel représente le niveau moyen auquel se stabilise la courbe sur l'intervalle [a;b][a; b].

Définition · 33

Valeur moyenne et inégalité de la moyenne

f est une fonction continue sur [a;b] avec a<bf \text{ est une fonction continue sur } [a; b] \text{ avec } a < b

f‾=1b−a∫abf(x) dx\overline{f} = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx

Le réel f‾\overline{f} est appelé valeur moyenne de ff sur l'intervalle [a;b][a; b].

m et M sont deux reˊels veˊrifiant pour tout x∈[a;b],  m≤f(x)≤Mm \text{ et } M \text{ sont deux réels vérifiant pour tout } x \in [a; b], \; m \le f(x) \le M

m(b−a)≤∫abf(x) dx≤M(b−a)  ⟺  m≤f‾≤Mm(b-a) \le \int_a^b f(x)\,dx \le M(b-a) \iff m \le \overline{f} \le M

Cette propriété constitue l'inégalité de la moyenne : borner la fonction sur [a;b][a; b] fournit un encadrement direct de son intégrale sans recours à une primitive.

Exemple travaillé · 34

Calcul direct d'une valeur moyenne

Calculer la valeur moyenne f‾\overline{f} de la fonction f(x)=3x2−2xf(x) = 3x^2 - 2x sur l'intervalle [0;2][0; 2].

1

La longueur de l'intervalle d'intégration est b−a=2−0=2b - a = 2 - 0 = 2.

2

On pose la formule de la valeur moyenne :

3
f‾=12∫02(3x2−2x) dx\overline{f} = \frac{1}{2}\int_0^2 (3x^2 - 2x)\,dx
4

On détermine une primitive de 3x2−2x3x^2 - 2x sur R\mathbb{R} :

5
F(x)=x3−x2F(x) = x^3 - x^2
6

On évalue l'intégrale entre les bornes 00 et 22 :

7
∫02(3x2−2x) dx=[x3−x2]02=(23−22)−0=8−4=4\int_0^2 (3x^2 - 2x)\,dx = [x^3 - x^2]_0^2 = (2^3 - 2^2) - 0 = 8 - 4 = 4
8

On divise par la longueur de l'intervalle pour obtenir la valeur moyenne :

9
f‾=12×4=2\overline{f} = \frac{1}{2} \times 4 = 2

Exemple travaillé · 35

Encadrement d'intégrale par l'inégalité de la moyenne

Encadrer l'intégrale I=∫0911+x dxI = \int_0^9 \frac{1}{1+\sqrt{x}}\,dx en utilisant l'inégalité de la moyenne.

1

Pour tout x∈[0;9]x \in [0; 9], la fonction racine carrée est croissante, donc 0≤x≤30 \le \sqrt{x} \le 3.

2

On encadre le dénominateur en ajoutant 11 :

3
1≤1+x≤41 \le 1 + \sqrt{x} \le 4
4

La fonction inverse étant strictement décroissante sur ]0;+∞[]0; +\infty[, on inverse les bornes :

5
14≤11+x≤1\frac{1}{4} \le \frac{1}{1+\sqrt{x}} \le 1
6

L'amplitude de l'intervalle d'intégration [0;9][0; 9] vaut b−a=9−0=9b - a = 9 - 0 = 9.

7

On applique le théorème de l'inégalité de la moyenne en multipliant les bornes par 99 :

8
14(9−0)≤∫0911+x dx≤1(9−0)  ⟺  94≤I≤9\frac{1}{4}(9 - 0) \le \int_0^9 \frac{1}{1+\sqrt{x}}\,dx \le 1(9 - 0) \iff \frac{9}{4} \le I \le 9

Piège classique · 36

On considère la fonction f(x)=cos⁡xf(x) = \cos x sur [0;π2][0; \frac{\pi}{2}]. On sait que ∫0π2cos⁡x dx=1\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos x\,dx = 1. Quelle est la valeur moyenne f‾\overline{f} sur cet intervalle ?

Attention

Répondre 11 en confondant l'intégrale avec la valeur moyenne.

À la place : L'intégrale mesure l'aire totale sous la courbe (1 u.a.1\text{ u.a.}). La valeur moyenne impose de diviser cette aire par la longueur b−a=π2b - a = \frac{\pi}{2}, ce qui donne f‾=1π/2×1=2π\overline{f} = \frac{1}{\pi/2} \times 1 = \frac{2}{\pi}.

Vérification · 37

Soit ff une fonction continue sur [1;4][1; 4] telle que pour tout x∈[1;4]x \in [1; 4], on a 2≤f(x)≤52 \le f(x) \le 5. Que peut-on affirmer sur l'intégrale I=∫14f(x) dxI = \int_1^4 f(x)\,dx ?

Remarque

La longueur de l'intervalle est b−a=4−1=3b - a = 4 - 1 = 3. Par l'inégalité de la moyenne, m(b−a)≤I≤M(b−a)m(b-a) \le I \le M(b-a), d'où 2×3≤I≤5×32 \times 3 \le I \le 5 \times 3, soit 6≤I≤156 \le I \le 15.

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