Calcul d'intégrales, propriétés, valeur moyenne et intégration par parties
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I. Calcul d'intégrales
On admet le résultat suivant :
Proposition :
Soient a et b deux réels tels que a<b, f une fonction continue sur l’intervalle [a,b] et F une primitive de la fonction f sur l’intervalle [a,b]. On a alors : ∫abf(x)dx=F(b)−F(a)
Remarque : La différence F(b)−F(a) est souvent notée [F(x)]ab, on écrit donc :∫abf(x)dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)
Théorème : si f est une fonction continue positive sur [a,b], alors la fonction Fa définie sur [a,b] par ∫axf(t) dt est la primitive de f qui s’annule en a.
Soient a et b deux réels tels que a<b, f et g deux fonctions continues sur l’intervalle [a,b] et k un réel quelconque. On a : ∫ab(f+g)(x) dx=∫abf(x) dx+∫abg(x) dx∫abkf(x) dx=k∫abf(x) dx
Exemple : Calculer A=∫12xx2+1 dx
∫12xx2+1 dx=∫12xx2+x1 dx
∫12xx2+1 dx=∫12x+x1 dx
∫12xx2+1 dx=∫12x dx+∫12x1 dx (par lineˊariteˊ de l’inteˊgrale)
∫12xx2+1 dx=[2x2]12+[ln∣x∣]12
∫12xx2+1 dx=24−21+ln(2)−ln(1)
∫12xx2+1 dx=23+ln(2)
2.Relation de Chasles
Propriété :
Soient a et c deux réels tels que a<c, f une fonction continue sur l’intervalle [a,c] et b un réel de [a,c]. On a : ∫acf(x) dx=∫abf(x) dx+∫bcf(x) dx
Exemple : Soit la fonction f définie sur R par: {f(x)=x si x<1f(x)=x1 si x≥1
Montrer que f est continue sur l’intervalle [−2,4] puis calculer ∫−24f(x) dx
La continuité : les fonctions x↦x et x↦x1 sont continues respectivement sur [−2,1[ et [1,4] Donc f est continue sur ces deux intervalles.
Le problème ne se pose alors qu’au point x=1 On a : f(1)=11=1x→1+limf(x)=x→1+limx1=1x→1−limf(x)=x→1−limx=1 On en déduit: x→1limf(x)=1=f(1)
Il s’ensuit que f est continue au point 1 et donc : f est continue sur [−2,4] L’intégrale ∫−24f(x) dx a donc un sens.
Calcul de l’intégrale ∫−24f(x) dx∫−24f(x) dx=∫−21f(x) dx+∫14f(x) dx( relation de Chasles)∫−24f(x) dx=∫−21x dx+∫14x1 dx∫−24f(x) dx=[2x2]−21+[ln∣x∣]14∫−24f(x) dx=21−24+ln∣4∣−ln∣1∣∫−24f(x) dx=−23+2ln(2)
3. Parité
Propriété : Soit a un réel positif et soit f une fonction continue sur [−a,a]∘ Si f est paire, alors : ∫−aaf(x) dx=2∫0af(x) dx∘ Si f est impaire, alors : ∫−aaf(x) dx=0
Exemple : Calcul de ∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx La fonction x↦sin(x) est impaire et continue sur [−2π,2π] La fonction x↦cos(x) est paire et continue sur [−2π,2π]∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx=∫−2π2πsin(x) dx+∫−2π2πcos(x) dx∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx=0+2∫02πcos(x) dx∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx=2[sin(x)]02π∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx=2(sin(2π)−sin(0))
∫−2π2πsin(x)+cos(x) dx=2
4. Positivité
Propriété : Soient a et b deux réels tels que a<b et f une fonction continue sur l’intervalle [a,b], alors :∘ Si f est positive sur l’intervalle [a,b], alors : ∫abf(x) dx≥0∘ Si f est négative sur l’intervalle [a,b], alors : ∫abf(x) dx≤0
Remarque : La réciproque est fausse en général.Contre-exemple : On a : ∫−122x dx=[x2]−12=3≥0 Mais la fonction x↦2x n’est pas positive sur [−1,2] puisqu’elle est négative sur [−1,0].
5.Ordre
Propriété : Soient a et b deux réels tels que a<b et f et g deux fonctions continues sur l’intervalle [a,b] telles que, pour tout x de [a,b] : f(x)≤g(x).Alors : ∫abf(x) dx≤∫abg(x) dx
Remarque : La réciproque est fausse en général. Exemple : On a, pour tout x appartenant à [1,7] : ex≥x Donc : ∫17x dx≤∫17ex dx
III-Valeur moyenne et inégalité de la moyenne
Définition : valeur moyenne d’une fonction
Soient a et b deux réels tels que a<b et f une fonction continue sur l’intervalle [a,b] On appelle la valeur moyenne de la fonction f sur [a,b] le nombre réel suivant: b−a1∫abf(x) dx
La valeur moyenne de f sur [a;b] correspond à la hauteur du rectangle de côté b−a dont l'aire est égale à l'aire sous la courbe représentative de f.
Exemple : Soit à calculer la valeur moyenne de f↦−x2+5x+2 sur [0;3].m=3−01∫03(−x2+5x+2)dxm=3−01[−3x3+52x2+2x]03m=31×19=6,5
Propriété :Inégalité de la moyenne
Soient a et b deux réels tels que a<b et f une fonction continue sur l’intervalle [a,b] telle qu’il existe m et M de R vérifiant m≤f(x)≤M pour tout x de [a,b] Alors : m≤b−a1∫abf(x) dx≤M
IV- Intégration par parties
Théorème : Intégration par parties Soient a et b deux réels tels que a<b et u et v deux fonctions définies et dérivables sur [a,b] respectivement de dérivées u′ et v′ continues sur [a,b].Alors : ∫abu(x)v′(x) dx=[u(x)v(x)]ab−∫abu′(x)v(x) dx
Exemples : Calcul de ∫0πxsinx dx On pose : {u(x)=xv′(x)=sinx donc : {u′(x)=1v(x)=−cosxu,v,u′,v′ sont toutes quatre continues sur [0;π].
∫0πxsinx dx=[−xcosx]0π−∫0π−cosx dx
∫0πxsinx dx=π+∫0πcosx dx
∫0πxsinx dx=π+[sinx]0π
∫0πxsinx dx=π+sinπ−sin0
∫0πxsinx dx=π
Calcul de ∫ee2lnx dx
On pose : {u(x)=lnxv′(x)=1 donc : {u′(x)=x1v(x)=xu,v,u′,v′ sont toutes quatre continues sur [e,e2].
∫ee2lnx dx=[xlnx]ee2−∫ee2x1×x dx
∫ee2lnx dx=e2lne2−elne−[x]ee2
∫ee2lnx dx=2e2−e−e2+e
∫ee2lnx dx=e2
Merci à Panter et à Malou pour avoir participé à l'élaboration de cette fiche