Quelle est la dérivée de la fonction g:x↦x3 sur R ?
Remarque
La dérivation fait baisser la puissance : (x3)′=3x2. La recherche d'une primitive fait le chemin inverse : retrouver x3 à partir de 3x2.
Point de départ · 2
On considère les fonctions F1(x)=x2 et F2(x)=x2+5 définies sur R. Calcule les dérivées F1′(x) et F2′(x). Que constates-tu ?
Deux fonctions distinctes peuvent avoir exactement la même dérivée 2x, car la dérivée d'une constante est nulle.
Définition · 3
Définition d'une primitive
Soit f une fonction définie sur un intervalle I.
F′(x)=f(x)pour tout x∈I
Une fonction F dérivable sur I vérifiant cette égalité est appelée une primitive de f sur I.
Théorème d'existence
f continue sur I⟹f admet des primitives sur I
Exemple travaillé · 4
Soient les fonctions f(x)=3x2+2x+1 et F(x)=x3+x2+x+5 définies sur R. Montre que F est une primitive de f sur R, puis donne une autre primitive G de f.
1
F est une fonction polynôme, elle est donc dérivable sur R.
2
On dérive F(x) terme à terme :
F′(x)=3x2+2x+1
3
On constate que F′(x)=f(x) sur R. Donc F est bien une primitive de f sur R.
4
Toute fonction de la forme F+c avec c∈R a pour dérivée f. En choisissant c=−5, on obtient une autre primitive :
G(x)=x3+x2+x
Définition · 5
Ensemble des primitives sur un intervalle
Soit f une fonction admettant une primitive F sur un intervalle I.
{F(x)+c;c∈R}
Toutes les primitives de f sur I s'obtiennent en ajoutant une constante réelle arbitraire c à F.
Remarque
Deux primitives d'une même fonction sur un intervalle diffèrent toujours d'une constante.
Exemple travaillé · 6
Soit l'intervalle I=]1;+∞[ et les fonctions g(x)=(x−1)2−2 et G(x)=x−1x+1. Montre que G est une primitive de g sur I, puis détermine l'unique primitive H de g vérifiant H(2)=0.
1
G est une fonction rationnelle dont le dénominateur ne s'annule pas sur I, elle est donc dérivable sur I.
On a G′(x)=g(x) pour tout x∈I, donc G est une primitive de g sur I.
4
Toutes les primitives de g sur I s'écrivent sous la forme H(x)=x−1x+1+c avec c∈R.
5
On applique la condition H(2)=0 pour déterminer c :
2−12+1+c=0⟺3+c=0⟺c=−3
6
L'unique primitive cherchée est :
H(x)=x−1x+1−3
Piège classique · 7
On pose f(x)=4x3 sur R et F(x)={x4+2x4−1si x≥0si x<0. La fonction F est-elle une primitive de f sur R ?
Attention
Dériver séparément sur ]0;+∞[ et ]−∞;0[ et conclure que F′=f sur R sans vérifier en 0.
À la place :F n'est pas continue en 0 car limx→0+F(x)=2 et limx→0−F(x)=−1. N'étant pas continue en 0, F n'est pas dérivable en 0. Elle ne peut donc pas être une primitive sur R.
Vérification · 8
Soient F et G deux primitives d'une même fonction continue f sur l'intervalle I=[0;5]. On donne F(1)=4 et G(1)=1. Que vaut F(4)−G(4) ?
Remarque
Sur un intervalle, deux primitives diffèrent d'une constante fixe : pour tout x∈I, F(x)−G(x)=F(1)−G(1)=4−1=3.
Rappel · 9
Quelle est la dérivée de la fonction h:x↦x1 sur ]0;+∞[ ?
Remarque
La dérivée de x1 est −x21. C'est la présence de ce signe moins qui régit la recherche de la primitive de x21.
Définition · 10
Primitives des puissances et inverses usuels
Sur tout intervalle où elles sont définies, les primitives des fonctions usuelles de référence sont données par :
xn⟼n+11xn+1+c(n∈N)
x21⟼−x1+c
x1⟼2x+c
Linéarité de la primitivation
(αf+βg) admet pour primitive (αF+βG)
On intègre une somme terme à terme en conservant les coefficients multiplicateurs constants.
Exemple travaillé · 11
Détermine une primitive sur ]0;+∞[ de la fonction f définie par : f(x)=3x2−5x−1−x1.
1
On intègre terme à terme par linéarité sur ]0;+∞[.
2
Une primitive de 3x2 est 3×3x3=x3.
3
Une primitive de −5x est −5×2x2=−25x2.
4
Une primitive de la constante −1 est −x.
5
Une primitive de −x1 est −2x.
6
En sommant ces composantes, une primitive de f sur ]0;+∞[ est :
F(x)=x3−25x2−x−2x
Piège classique · 12
Quelle est une primitive de la fonction f2(x)=5−x23 sur ]0;+∞[ ?
Attention
Écrire que la primitive de −x23 est −x3 en conservant le signe négatif.
À la place : Une primitive de −x21 est +x1 car (x1)′=−x21. Le signe moins préexistant se simplifie : une primitive est donc 5x+x3.
Exemple travaillé · 13
Détermine une primitive sur ]0;+∞[ de la fonction rationnelle g(x)=x22x3−5x2+2.
1
Le dénominateur est un monôme x2. On scinde la fraction en divisant chaque terme du numérateur par x2 :
2
g(x)=x22x3−x25x2+x22=2x−5+x22
3
On intègre ensuite terme à terme sur ]0;+∞[.
4
Une primitive de 2x est x2, une primitive de −5 est −5x, et une primitive de x22 est −x2.
5
Une primitive de g sur ]0;+∞[ est donc :
G(x)=x2−5x−x2
Piège classique · 14
On cherche une primitive de k(x)=(x−1)2(x+2) sur R. Quelle méthode doit-on impérativement appliquer ?
Attention
Calculer le produit des primitives des deux facteurs séparés, en écrivant 3(x−1)3×2(x+2)2.
À la place : La primitive d'un produit n'est pas le produit des primitives. Il faut obligatoirement développer le produit pour obtenir un polynôme sous forme réduite : k(x)=x3−3x+2, puis intégrer terme à terme.
Vérification · 15
Détermine une primitive de f(x)=5x4−10x−10+x217 sur ]0;+∞[.
Remarque
On intègre chaque terme séparément : 5×5x5=x5, −10×2x2=−5x2, la constante −10 donne −10x, et x217 donne −x17. D'où F(x)=x5−5x2−10x−x17.
Point de départ · 16
On cherche une primitive de f(x)=2x(x2+1)3 sur R. Doit-on obligatoirement développer l'expression (x2+1)3 ?
Développer (x2+1)3 serait long et source d'erreurs. On remarque que 2x est la dérivée exacte de u(x)=x2+1. L'expression s'écrit sous la forme u′(x)⋅[u(x)]3, ce qui permet de trouver directement une primitive.
Définition · 17
Primitive de la forme u′un
Soit u une fonction dérivable sur un intervalle I et n∈N∗.
u′(x)⋅[u(x)]n admet pour primitive n+11[u(x)]n+1+c(c∈R)
Cas particulier d'un binôme affine
Pour tous réels a et b avec a=0 :
(ax+b)n admet pour primitive a(n+1)1(ax+b)n+1+c
Exemple travaillé · 18
Détermine une primitive sur R de la fonction f définie par : f(x)=x(1−x2)2.
1
On pose u(x)=1−x2, qui est dérivable sur R.
2
On calcule sa dérivée : u′(x)=−2x.
3
Le facteur x ne diffère de u′(x) que par une constante multiplicative. On ajuste le coefficient :
f(x)=−21×(−2x)(1−x2)2=−21u′(x)[u(x)]2
4
Comme une primitive de u′u2 est 31u3, une primitive de f sur R est :
F(x)=−21×31(1−x2)3=−61(1−x2)3
Piège classique · 19
Quelle est une primitive sur R de la fonction g(x)=(3−2x)10 ?
Attention
Intégrer en 111(3−2x)11 en oubliant la dérivée interne de la fonction affine 3−2x.
À la place : La dérivée de u(x)=3−2x est u′(x)=−2. Il faut compenser ce facteur −2 en multipliant par −21 : g(x)=−21×(−2)(3−2x)10=−21u′(x)[u(x)]10. La primitive est donc −21×11(3−2x)11=−221(3−2x)11.
Définition · 20
Primitives de la forme u2u′ et puissances négatives
Soit u une fonction dérivable et ne s'annulant pas sur un intervalle I.
[u(x)]2u′(x) admet pour primitive −u(x)1+c(c∈R)
Plus généralement, pour tout entier n≥2 :
[u(x)]nu′(x) admet pour primitive −(n−1)[u(x)]n−11+c
Exemple travaillé · 21
Détermine l'ensemble des primitives sur ]1;+∞[ de la fonction f définie par : f(x)=(x2+x−2)24x+2.
1
On pose u(x)=x2+x−2, qui est dérivable et ne s'annule pas sur ]1;+∞[.
2
On calcule sa dérivée : u′(x)=2x+1.
3
On factorise le numérateur pour faire apparaître u′(x) :
4x+2=2(2x+1)=2u′(x)
4
On réécrit la fonction sous la forme de référence :
f(x)=2×[u(x)]2u′(x)
5
Comme une primitive de u2u′ est −u1, l'ensemble des primitives de f sur ]1;+∞[ est :
F(x)=2(−u(x)1)+c=−x2+x−22+c(c∈R)
Piège classique · 22
Sur l'intervalle I=]21;+∞[, quelle est une primitive de h(x)=(2x−1)2−2 ?
Attention
Écrire −2x−11 en appliquant mécaniquement le signe moins de la formule sans regarder le numérateur.
À la place : Avec u(x)=2x−1, on a u′(x)=2. Le numérateur est −2=−u′(x). L'expression est donc −[u(x)]2u′(x). Comme la primitive de u2u′ est −u1, celle de −u2u′ est −(−u1)=+u1=2x−11.
Vérification · 23
Détermine la primitive F sur R de la fonction f(x)=(2x−1)(x2−x−4)3 qui s'annule en 0.
Remarque
En posant u(x)=x2−x−4, on a u′(x)=2x−1. La fonction est exactement de la forme u′u3, dont les primitives sont F(x)=41(x2−x−4)4+c. La condition F(0)=0 donne 41(−4)4+c=0⟺64+c=0⟺c=−64.
Définition · 24
Primitives de la forme uu′
Soit u une fonction dérivable et strictement positive sur un intervalle I.
u(x)u′(x) admet pour primitive 2u(x)+c(c∈R)
Remarque
Puisque (u)′=2uu′, l'absence du facteur 2 au dénominateur impose de multiplier la primitive par 2.
Exemple travaillé · 25
Sur l'intervalle [0;1], détermine une primitive de la fonction f définie par : f(x)=3x2+12x.
1
On pose u(x)=x2+1, qui est dérivable et strictement positive sur [0;1].
2
On calcule sa dérivée : u′(x)=2x.
3
On isole la constante multiplicative 31 pour faire apparaître la forme usuelle :
f(x)=31×x2+12x=31×u(x)u′(x)
4
Une primitive de uu′ est 2u. En multipliant par 31, on obtient :
F(x)=31(2x2+1)=32x2+1
Piège classique · 26
Sur l'intervalle ]1;+∞[, quelle est une primitive de la fonction h(x)=4x−31 ?
Attention
Intégrer uu′ en u en oubliant le facteur multiplicatif 2.
À la place : La dérivée de u est 2uu′, donc uu′ a pour primitive 2u. En posant u(x)=4x−3, on a u′(x)=4, d'où h(x)=41u(x)u′(x). Une primitive est donc 41×24x−3=214x−3.
Définition · 27
Primitives des fonctions trigonométriques
Sur R, les primitives des fonctions circulaires de référence sont données par :
Quelle est une primitive sur R de la fonction f(x)=3sin(2x) ?
Attention
Oublier le signe moins lors de la primitivation de sinus ou multiplier par 2 au lieu de diviser par 2.
À la place : La dérivée de cos(x) est −sin(x), donc une primitive de sin(x) est −cos(x). Pour la composée affine 2x, on divise impérativement par le coefficient 2 : une primitive est donc −23cos(2x).
Exemple travaillé · 29
Détermine la primitive F sur R de la fonction f(x)=2cos(3x)+3sin(2x) vérifiant la condition initiale F(0)=−1.
1
On détermine la forme générale des primitives de f sur R par linéarité :
2
Une primitive de 2cos(3x) est 2×31sin(3x)=32sin(3x).
3
Une primitive de 3sin(2x) est 3×(−21cos(2x))=−23cos(2x).
4
Toutes les primitives de f sur R s'écrivent :
F(x)=32sin(3x)−23cos(2x)+c(c∈R)
5
On applique la condition initiale F(0)=−1 pour fixer la constante c :
Détermine une primitive sur ]0;π[ de la fonction f(x)=cos(x)−cos3(x).
1
On factorise par cos(x) :
f(x)=cos(x)(1−cos2(x))
2
D'après l'identité pythagoricienne, 1−cos2(x)=sin2(x). On réécrit l'expression :
f(x)=cos(x)sin2(x)
3
En posant u(x)=sin(x), on a u′(x)=cos(x). L'expression est exactement de la forme u′(x)⋅[u(x)]2.
4
Comme une primitive de u′u2 est 31u3, une primitive de f sur ]0;π[ est :
F(x)=31sin3(x)
Vérification · 31
Sur ]0;2π[, quelle est une primitive de la fonction g(x)=sin2(x)cos(x) ?
Remarque
En posant u(x)=sin(x), on a u′(x)=cos(x). L'expression est de la forme [u(x)]2u′(x). Une primitive est −u(x)1=−sin(x)1.
Rappel · 32
Soit F une fonction dérivable sur R. Quelle est la dérivée de la fonction composée x↦F(−x) ?
Remarque
Par la formule de dérivation d'une composée (v∘u)′=u′×(v′∘u) avec u(x)=−x, on a (F(−x))′=−1×F′(−x)=−F′(−x). Ce facteur −1 est au cœur de toutes les propriétés de parité des primitives.
Définition · 33
Parité des primitives sur un intervalle symétrique
Soit f une fonction continue sur un intervalle symétrique [−a;a] avec a>0.
Primitives d'une fonction impaire
f est impaire ⟹toutes les primitives de f sur [−a;a] sont paires
Primitive d'une fonction paire
f est paire ⟹l’unique primitive F veˊrifiant F(0)=0 est impaire
Remarque
Attention à la dissymétrie : pour une fonction paire, seule la primitive s'annulant en 0 est impaire.
Piège classique · 34
On considère la fonction f(x)=3x2, qui est paire sur R. La fonction F(x)=x3+5 est une primitive de f. Est-elle impaire ?
Attention
Penser que toutes les primitives d'une fonction paire sont impaires, sans tenir compte de la constante additive.
À la place : On calcule F(−x)=(−x)3+5=−x3+5. Pour que F soit impaire, il faudrait que F(−x)=−F(x)=−x3−5, ce qui est faux à cause du +5. Une fonction impaire s'annule obligatoirement en 0 : seule la primitive vérifiant F(0)=0 (ici x↦x3) est impaire.
Exemple travaillé · 35
Soit f une fonction continue et paire sur [−a;a] et soit F l'unique primitive de f vérifiant F(0)=0. Démontre que F est impaire sur [−a;a].
1
On introduit la fonction auxiliaire ψ définie sur l'intervalle [−a;a] par :
ψ(x)=F(−x)+F(x)
2
ψ est dérivable sur [−a;a] comme somme et composée de fonctions dérivables.
3
On calcule sa dérivée pour tout x∈[−a;a] :
ψ′(x)=−F′(−x)+F′(x)=−f(−x)+f(x)
4
Puisque f est paire, on a f(−x)=f(x). L'expression devient :
ψ′(x)=−f(x)+f(x)=0
5
La dérivée de ψ étant nulle sur l'intervalle [−a;a], la fonction ψ est constante sur cet intervalle.
6
On évalue cette constante en 0 :
ψ(0)=F(0)+F(0)=2×0=0
7
Ainsi, pour tout x∈[−a;a], ψ(x)=0, soit F(−x)+F(x)=0⟺F(−x)=−F(x). La fonction F est donc impaire.
Définition · 36
Technique de scission affine pour fractions rationnelles
Pour primitiver une fraction de la forme (x−a)nx−x0, on exprime le numérateur en faisant apparaître le terme (x−a) du dénominateur :
x−x0=(x−a)+(a−x0)
On scinde ensuite la fraction pour intégrer chaque puissance négative séparément :
(x−a)nx−x0=(x−a)n−11+(x−a)na−x0
Exemple travaillé · 37
Détermine une primitive sur ]−2;+∞[ de la fonction f définie par : f(x)=(x+2)3x−1.
1
On décompose le numérateur selon le binôme (x+2) :
La dérivée de (x+2) étant 1, on intègre chaque puissance avec la formule générale n+1un+1 :
F(x)=−1(x+2)−1−3×−2(x+2)−2=−x+21+2(x+2)23
4
On réduit au même dénominateur pour simplifier le résultat :
F(x)=2(x+2)2−2(x+2)+3=2(x+2)2−2x−1
Piège classique · 38
Sur l'intervalle ]−2;+∞[, quelle est une primitive du terme −3(x+2)−3 ?
Attention
Faire une erreur de signe en conservant un signe négatif devant le quotient final.
À la place : Une primitive de (x+2)−3 est −2(x+2)−2=−2(x+2)21. En multipliant par −3, le produit des deux signes moins donne un signe positif : −3×(−2(x+2)21)=+2(x+2)23.
Vérification · 39
Soit f une fonction continue et impaire sur [−3;3]. Soit F une primitive quelconque de f sur cet intervalle vérifiant F(1)=4. Que vaut F(−1) ?
Remarque
D'après le théorème de parité, si f est impaire, TOUTES ses primitives sur [−3;3] sont des fonctions paires. Ainsi, pour tout x∈[−3;3], F(−x)=F(x), ce qui donne directement F(−1)=F(1)=4.