CALCULS DE PRIMITIVES ET D`INTÉGRALES
Transcription
CALCULS DE PRIMITIVES ET D`INTÉGRALES
Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI CALCULS DE PRIMITIVES ET D ’ INTÉGRALES Ce chapitre vise à renforcer votre pratique du calcul intégral au moyen de révisions ciblées et grâce à deux nouveautés, l’intégration par parties et le changement de variable. Le point de vue adopté n’est pas théorique. Nous définirons proprement la notion d’intégrale et nous démontrerons le théorème fondamental du calcul intégral sur lequel ce chapitre repose au chapitre « Intégration sur un segment » en fin d’année. Dans tout ce chapitre, K est l’un des ensembles R ou C et I et J sont des intervalles. 1 CALCULS SIMPLES DE PRIMITIVES Définition (Primitive) Soit f : I −→ K une fonction. On dit qu’une fonction F : I −→ K est UNE primitive de f sur I si F est dérivable sur I de dérivée f . Exemple La fonction x 7−→ 1 x2 est UNE primitive de x 7−→ x sur R et Arctan est UNE primitive de x 7−→ sur R. 2 1 + x2 Théorème (« Unicité » des primitives à constante additive près) Soit f : I −→ K une fonction. On suppose que f possède une primitive F : I −→ K. Les primitives de f sur I à valeurs dans K sont alors toutes les fonctions F + λ, λ décrivant K. Il n’existe jamais une seule primitive, on ne dit jamais « la » primitive mais UNE primitive. Il peut ne $ ATTENTION ! $ pas en exister, mais s’il en existe, il en existe une infinité et elles sont toutes égales à constante additive près. Pour tout Fe ∈ D(I , K) : ′ ⇐⇒ Fe − F = 0 ⇐⇒ Démonstration Fe est une primitive de f Fe − F est constante ⇐⇒ ⇐⇒ Fe′ = f ∃ λ ∈ K/ ⇐⇒ Fe = F + λ. Fe′ = F ′ Les fonctions que l’on manipule couramment sont un empilement de fonctions usuelles liées entre $ ATTENTION ! $ elles par des additions, des multiplications, des passages à l’inverse et des compositions. Vous savez toutes les dériver car vous savez dériver les fonctions usuelles et disposez des formules de dérivation d’une somme, d’un produit, d’un inverse et d’une composée. La primitivation des fonctions est autrement plus difficile : — vous savez primitiver la fonction x 7−→ x, mais pour primitiver son inverse x 7−→ une nouvelle fonction usuelle, la fonction logarithme, 1 , il a fallu qu’on vous introduise x — vous savez primitiver la fonction x 7−→ 1 + x 2 , mais pour primitiver son inverse x 7−→ 1 , il a fallu qu’on vous 1 + x2 introduise une nouvelle fonction usuelle, la fonction arctangente. 1 1 soient compliquées ! Le problème de la primitivation, On ne peut pas dire pourtant que les fonctions x 7−→ et x 7−→ x 1 + x2 c’est qu’on ne peut pas primitiver explicitement toutes les fonctions qu’on utilise couramment. On peut montrer — mais 2 c’est difficile — que les primitives d’une fonction simple comme x 7−→ e−x ne peuvent en aucune manière être écrites explicitement comme un empilement de fonctions usuelles — à moins bien sûr de considérer une telle primitive comme nouvelle fonction usuelle ! On retiendra notamment de ces remarques la mise en garde suivante : En général, même quand on sait primitiver deux fonctions, on NE sait PAS primitiver leur PRODUIT, leur QUOTIENT, leur COMPOSÉE. 1 Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI La mise en garde précédente ne signifie heureusement pas qu’on ne sait rien faire. En particulier, En pratique toute fonction de la forme f ′ × g ′ ◦ f admet g ◦ f pour primitive et on attend de vous que vous sachiez repérer une telle forme. Mentionnons rapidement quelques cas très courants : uα+1 u′ u′ en ln |u|, u′ uα (α 6= −1) en , u′ cos u en sin u, en Arctan u, etc. u α+1 1 + u2 F (a x + b) est une primitive de x 7−→ f (a x + b). Si F est une primitive de f , alors pour tout a ∈ C∗ et b ∈ C, x 7−→ a u′ eu se primitive en eu , p 1 e x sin x admet x 7−→ ln 5− 3 cos x pour primitive sur R, la fonction x 7−→ p admet 5 − 3 cos x 3 x 1 1 ∗ pour primitive sur R+ et la fonction x 7−→ admet x 7−→ Arctan(2x) pour primitive sur R. 4x 2 + 1 2 La fonction x 7−→ Exemple p x 7−→ 2 e x 1 avec Le programme exige que vous sachiez primitiver les fonctions de la forme x 7−→ En pratique 2 a x + bx + c 2 a, b, c ∈ R, a 6= 0 et b − 4ac < 0 — discriminant négatif, le dénominateur ne s’annule pas sur R. C’est très simple, on écrit « a x 2 + bx + c » sous FORME CANONIQUE, on fait apparaître la dérivée d’arctangente et enfin on primitive. Il est ici assez utile de savoir que : x 1 1 . Pour tout a > 0, x 7−→ Arctan est une primitive de x 7−→ 2 a a x + a2 Exemple 2 6x − 1 1 admet x 7−→ p Arctan p pour primitive sur R. 3x 2 − x + 1 11 11 1 1 1 1 1 1 1 = × = × = × En effet Pour tout x ∈ R : 2 p 2 , 1 x 2 3x 2 − x + 1 3 3 3 11 1 1 11 x2 − + + x− + x− 3 3 6 36 6 6 2 1 1 6 6 6x − 1 1 = p Arctan p x− admet pour primitive x 7−→ × p Arctan p . donc x 7−→ 3x 2 − x + 1 3 6 11 11 11 11 La fonction x 7−→ On a souvent besoin de primitiver les fonctions de la forme x 7−→ eax cos(bx) et x 7−→ eax sin(bx) e(a+ib)x avec a, b ∈ R∗ . C’est très simple. Pour tout x ∈ R : eax cos(bx) = Re e(a+ib)x . Or x 7−→ e(a+ib)x admet x 7−→ a + ib pour primitive, donc x 7−→ eax cos(bx) admet pour primitive : (a+ib)x eax eax e = 2 Re cos(bx) + i sin(bx) × (a − ib) = a cos(bx) + b sin(bx) . x 7−→ Re a + ib a + b2 a 2 + b2 En pratique Autre technique bien utile, la LINÉARISATION. Grâce à elle, nous savons calculer toutes les primitives En pratique de fonctions telles que x 7−→ sin2 x cos3 (4x) — produits de sinus et de cosinus. Pour finir, on primitive les fractions rationnelles en primitivant leur DÉCOMPOSITION EN ÉLÉMENTS En pratique SIMPLES. Nous nous contenterons de calculs simples à ce stade, conformes à l’esprit du petit chapitre « Introduction à la décomposition en éléments simples ». Exemple La fonction x 7−→ En effet |x| admet x 7−→ ln p pour primitive sur R∗ . +1 x2 + 1 1 x x2 donc pour certains a, b, c ∈ R : 1 a une partie entière nulle, X +1 a 1 bX + c = + 2 . X X +1 X X2 + 1 • Forme de la décomposition en éléments simples : La fraction Æ • Calcul de a : On multiplie Æ par X puis on évalue en 0 : X2 a = 1. • Calcul de b : On multiplie Æ par X , puis on évalue en un réel x qu’on fait tendre vers +∞ : donc b = −1. b+c 1 = a+ , donc c = 0. • Calcul de c : On évalue Æ en 1 : 2 2 2 0 = a+ b, Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI 1 X 1 1 = − 2 . La fonction x 7−→ 2 X X +1 X +1 x x +1 1 |x| admet ainsi comme voulu x − 7 → ln |x| − ln x 2 + 1 = ln p pour primitive sur R∗ . 2 x2 + 1 • Primitivation : Nous venons d’établir que : 2 X2 LIEN ENTRE LES NOTIONS DE PRIMITIVE ET D’INTÉGRALE Définition (Fonction complexe continue) Soit f : I −→ C une fonction. On dit que f est continue sur I si Re( f ) et Im( f ) le sont. L’ensemble des fonctions complexes continues sur I est noté C (I , C). L’intégrale d’une fonction continue vous a été définie en Terminale comme une aire ALGÉBRIQUE sous la courbe — ce qui veut dire que les portions de la courbe situées SOUS l’axe des abscisses contribuent négativement au calcul de l’aire. Cette définition est totalement bancale car nous sommes au fond bien incapables de définir la notion d’aire, mais nous nous contenterons de cette approche pour le moment. L’intégrale sera définie proprement plus tard au chapitre « Intégration sur un segment ». Définition (Intégrale sur un segment d’une fonction complexe continue) Soient f ∈ C (I , C) et a, b ∈ I . On appelle Z b Z b Z b f (t) dt = intégrale de f de a à b le nombre complexe Re( f )(t) dt + i a a Im( f )(t) dt. a Une intégrale de fonction complexe ne peut pas être interprétée comme une aire algébrique, c’est $ ATTENTION ! $ un nombre complexe ! Théorème (Propriétés de l’intégrale d’une fonction continue) Soient f , g ∈ C (I , C) et a, b, c ∈ I . Z b Z b Z b g(t) dt. f (t) dt + µ λ f (t) + µg(t) dt = λ • Linéarité : Pour tous λ, µ ∈ C : • Relation de Chasles : Z a c f (t) dt = a • Inégalité triangulaire : Si a ¶ b : Z b f (t) dt + a b Z a a c f (t) dt. b Z Z b f (t) dt. f (t) dt ¶ a a Les trois propriétés qui suivent, parce qu’elles cachent l’utilisation d’inégalités, n’ont de sens que pour des fonctions RÉELLES. Théorème (Propriétés de l’intégrale d’une fonction réelle continue) Soient f , g ∈ C (I , R) et a, b ∈ I . Z b • Positivité : Si f ¾ 0 et si a ¶ b, alors f (t) dt ¾ 0. a • Positivité stricte : Si f est strictement positive sauf éventuellement en un nombre fini de points et si a < b, alors Z b f (t) dt > 0. a • Croissance : Si f ¶ g et a ¶ b, alors Z b f (t) dt ¶ a Z 3 b g(t) dt. a Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI Théorème (Théorème fondamental du calcul intégral) Soient f ∈ C (I , C) et a, b ∈ I . Z x (i) La fonction x 7−→ f (t) dt est une primitive de f sur I . Z a x Pour tout A ∈ C, il existe une et une seule primitive de f sur I de valeur A en a, la fonction x 7−→ A + f (t) dt. a Z b x=b f (t) dt = F (b)−F (a). On note [F ]ab ou F (x) x=a cette quantité F (b)−F (a). (ii) Pour toute primitive F de f : a L’assertion (ii) découle de l’assertion Z (i). La fonction F est une primitive de f qui vaut F (a) Démonstration x en a et c’est la seule, donc d’après (i), F (x) = F (a) + a Explication f pour tout x ∈ I . Il reste à évaluer en b. • L’assertion (i) est un théorème d’EXISTENCE de primitives pour les fonctions CONTINUES. • Fondamental, ce théorème l’est parce qu’il établit un lien entre des notions apparemment totalement étrangères — la notion d’aire/intégrale et la notion de primitive, liée Z à la dérivation. Quelle intuition cela exprime-t-il ? x Supposons f réelle et notons F la fonction x 7−→ Z x+h f (t) dt. Ci-contre, l’aire a y = f (x) f (t) dt = F (x + h) − F (x). algébrique colorée à gauche vaut : x Or si ≈ b b h est tout petit, sachant que f est CONTINUE en x, on peut considérer que f est x x +h approximativement égale à f (x) sur tout le segment [x, x + h], et donc on peut approximer l’aire colorée à gauche par l’aire colorée à droite, qui vaut h f (x) h h selon le principe « base × hauteur ». F (x + h) − F (x) = f (x). Par définition Conclusion : F (x +h)−F (x) ≈ h f (x) pour h tout petit, ou encore : lim h→0 h du nombre dérivé, on comprend mieux ainsi pourquoi F est dérivable de dérivée f . Exemple Exemple Z 2π 0 2π sin t dt = −cos 0 = 0 Pour tout α ∈ R+ : Z Z et 1 x α dx = 0 x α+1 α+1 2π 0 | sin t| dt = x=1 x=0 = Z π sin t dt − 0 1 . α+1 Z 2π π π 2π sin t dt = −cos 0 − −cos π = 4. Intégrale très courante, à connaître PAR CŒUR ! On rencontre parfois dans les livres de mystérieuses intégrales sans bornes — par exemple : $ ATTENTION ! $ Z Z Z Z t3 dx 2 2 t + 2t dt = +t , = ln x, sin θ dθ = − cos θ ou 2u cos u2 du = sin u2 . 3 x Cette notation sans bornes est utilisée pour son efficacité calculatoire comme nous allons le voir, mais elle n’a AUCUN SENS À PROPREMENT PARLER puisqu’on primitive toujours à constante additive près. Je répète et j’insiste, cette notation est bien commode mais NE DÉSIGNE AUCUN OBJET MATHÉMATIQUE. Exemple La fonction x 7−→ e−x sin x admet x 7−→ − En effet Z −x e sin x dx = Z =− e−x 2 sin x + cos x pour primitive sur R. Im e(−1+i)x dx = Im e−x 2 sin x + cos x . 4 Z (−1+i)x e e(−1+i)x dx = Im −1 + i =− e−x Im (1 + i)eix 2 f (x) Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI Exemple ϕ La fonction x 7−→ x2 2 4 2 e−t dt est dérivable sur R de dérivée x 7−→ 2xe−x − e−x . x F −t 2 Z x 2 e−t dt en est une primitive. Or pour tout La fonction t 7−→ e est continue sur R donc x 7−→ 0 4 2 ϕ(x) = F x 2 − F (x), donc ϕ est dérivable de dérivée x 7−→ 2x F ′ x 2 − F ′ (x) = 2xe−x − e−x . En effet x ∈R: 3 Z INTÉGRATION PAR PARTIES Définition (Fonction de classe C 1 ) Soit f : I −→ K une fonction. On dit que f est de classe C 1 sur I si f est dérivable sur I et si f ′ est continue sur I . L’ensemble des fonctions de classe C 1 sur I à valeurs dans K est noté C 1 (I , K). Ne confondez pas « dérivable à dérivée continue », i.e. « de classe C 1 », et « dérivable ET continue ». $ ATTENTION ! $ Comme la dérivabilité implique la continuité, « dérivable ET continue » est une maladresse que vous me ferez le plaisir d’éviter ! Exemple Toute primitive d’une fonction continue est de classe C 1 puisque sa dérivée, justement, est continue. Théorème (Intégration par parties) Soient u, v ∈ C 1 (I , C) et a, b ∈ I . Z b ′ u (t)v(t) dt = uv a b − a Z b u(t)v ′ (t) dt. a Démonstration Comme u et v sont de classe C 1 , les fonctions (uv)′ , u′ v et uv ′ sont continues, donc d’après le théorème fondamental du calcul intégral et par linéarité de l’intégrale : Exemple Exemple Z Z uv b a = π t cos t dt = 0 1 0 Z Z b ′ (uv) (t) dt = a ′ π u (t) 0 Z a b ′ v(t) t=π z}|{ z}|{ IPP cos t × t dt = t sin t t=0 − Z Z π 0 sin t dt = − b ′ u (t)v(t) dt + a Z π 0 Z b u(t)v ′ (t) dt. a t=π sin t dt = − − cos t t=0 = −2. ′ (t) v(t) Z 1 zu}|{ Z z}|{ t=1 1 1 2 2 e 1 t 2 t=1 1 2 1 IPP 1 2 t 2 t2 3 t 2te × t dt = − = . t e e 2te t dt = − t e dt = t=0 t=0 2 0 2 2 0 2 2 2 En pratique On peut aussi pratiquer des intégrations par parties sur desZintégrales sans bornes pour calculer des Z primitives. La formule prend ici la forme suivante : Exemple u (t)v(t) + u(t)v (t) dt = ′ u′ (t)v(t) dt = u(t)v(t) − u(t)v ′ (t) dt. La fonction logarithme admet x 7−→ x ln x − x pour primitive sur R∗+ . En effet Z ln x dx = Z u′ (x) v(x) z}|{ z}|{ IPP 1 × ln x dx = x ln x − 5 Z 1 x × dx = x ln x − x Z dx = x ln x − x. Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI Exemple La fonction x 7−→ En effet 4 Arctan x |x| Arctan x − pour primitive sur R∗ . admet x 7−→ ln p x2 x x2 + 1 u′ (x) Z v(x) Z Z z}|{ z }| { Arctan x 1 1 1 IPP Arctan x dx = − × 2 − dx = × − x2 x x x +1 Z Un exemple Arctan x Arctan x dx |x| − =− + . = ln p 2 2 x x précédent x x +1 x +1 Arctan x dx x2 CHANGEMENT DE VARIABLE Théorème (Changement de variable) Soient ϕ ∈ C 1 (I , R), f ∈ C (J , C) et a, b ∈ I . On suppose ϕ à valeurs dans J . Z b a f ϕ(t) ϕ ′ (t) dt = Z ϕ(b) f (x) dx. ϕ(a) Démonstration Continue, f possède une primitive F de classe C 1 , et comme ϕ est de classe C 1 , la fonction (F ◦ ϕ)′ = f ◦ ϕ × ϕ ′ est continue. Du coup, d’après le théorème fondamental du calcul intégral : Z En pratique b a Z ϕ(b) b f ϕ(t) ϕ ′ (t) dt = F ◦ ϕ a = F ϕ(b) − F ϕ(a) = F ϕ(a) = ϕ(b) f (x) dx. ϕ(a) Pour retrouver vite la formule, mais sans rigueur : — on part de x = ϕ(t), dx = ϕ ′ (t), et donc dx = ϕ ′ (t) dt, dt — ensuite on multiplie par f (x) = f ϕ(t) : f (x) dx = f ϕ(t) ϕ ′ (t) dt, — ensuite on « dérive » : — enfin on intègre — pendant que t varie de a à b, x = ϕ(t) varie de ϕ(a) à ϕ(b). Exemple Afin de comprendre la technique du changement de variable, nous allons effectuer successivement trois chanZ1 t e gements de variables dans l’intégrale dt. Ces changements de variables ne nous aideront pas à calculer ladite 1 +t 0 intégrale, mais nous n’arriverons pas à la calculer de toute façon. En effet 1 dt = , du u • Changement de variable t = ln u : On « dérive » : Ensuite : et eln u du du dt = × = . 1+ t 1 + ln u u 1 + ln u Enfin, u = 1 quand t = 0 et u = e quand t = 1, donc : x • Changement de variable u = : On « dérive » : e du dx du = = . Ensuite : 1 + ln u ln(eu) e ln x Z 1 et dt = 1+ t 0 du 1 = , dx e 2 Enfin, x = e quand u = 1 et x = e quand u = e, donc : Z e 1 • Changement de variable x = s2 : On « dérive » : Ensuite : Enfin, s = s ds 2s ds dx = = . 2 e ln x e ln s e ln s p 2 Z e 6 Z e du = 1 + ln u 1 e2 Z du . u du . 1 + ln u donc du = dx = 2s, ds e quand x = e et s = e quand x = e , donc : donc dt = dx . e e2 e dx . e ln x donc dx = 2s ds. dx = e ln x Z e p e s ds . e ln s Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI Exemple Z p 3 p x π dx = 2 3 − − 2. x +1 6 1 En effet Aucune formule de primitivation simple ne saute ici aux yeux et aucune intégration par parties naturelle ne paraît simplifier l’intégrale étudiée. Le changement de variable x = u2 paraît naturel à cause du p numérateur « x ». On choisira par exemple u positif. dx On part de x = u2 puis on « dérive » : = 2u, donc dx = 2u du. du p p 2 x u2 |u| u¾0 2u Ensuite : dx = 2 × 2u du = 2 × 2u du = 2 du. x +1 u +1 u +1 u +1 Z p3 Z3 p p u2 x dx = 2 du. Enfin, u = 1 quand x = 1 et u = 3 quand x = 3, donc : 2 x +1 u +1 1 1 Cette nouvelle intégrale, par chance, est facile à calculer, c’est une intégrale de fraction rationnelle. Z Exemple Z 3 1 p x dx = 2 x +1 Z p 1 3 1− 1 2 u +1 p u=p3 p π π π =2 du = 2 u − Arctan u −2 1− = 2 3 − − 2. 3− u=1 3 4 6 1 p π 1 − x 2 dx = . 2 −1 y= p 1 − x2 Demi-disque π d’aire 2 En effet On va ici heffectueri le changement de variable x = sin θ . On choisira π π — intervalle sur lequel x décrit tout [−1, 1]. On par exemple θ dans − , 2 2 dx « dérive » : = cos θ , donc dx = cos θ dθ . Ensuite : dθ p p p 1 − x 2 dx = 1 − sin2 θ × cos θ dθ = cos2 θ cos θ dθ = | cos θ | × cos θ dθ Enfin, θ = − Z 1 π θ∈ − π 2,2 = cos2 θ dθ . π π quand x = −1 et θ = quand x = 1, donc : 2 2 1 −1 p 1− x2 dx = Z π 2 2 cos θ dθ = −π 2 Z π 2 −π 2 1 + cos(2θ ) 2 π π π sin(2θ ) θ = 2 dθ = + = . π 2 4 2 θ =− 2 On peut aussi pratiquer des changements de variables sur des intégrales sans bornes pour calculer En pratique des primitives. N’OUBLIEZ PAS DANS CE CAS DE REVENIR À LA VARIABLE DE DÉPART ! Exemple θ 1 admet θ − 7 → ln tan pour primitive sur R \ πZ. La fonction θ 7−→ sin θ 2 Z dθ . Cette sin θ intégrale admet θ pour variable mais je vous conseille de privilégier la relation « x = cos θ » à la relation « θ = Arccos x », les calculs s’en trouveront facilités. dx On part de x = cos θ puis on « dérive » : = − sin θ , donc dx = − sin θ dθ . dθ Z Z sin θ dθ sin θ dθ −dx dx dθ dθ = = = . = , d’où l’égalité : Ensuite : 2 −1 sin θ 1 − cos2 θ 1 − x2 cos θ x sin2 θ 1 1 1 1 , donc : = − Or après décomposition en éléments simples : X2 − 1 2 X −1 X +1 Z Z Z dθ 1 1 dx 1 dx ln |x − 1| ln |x + 1| 1 − x Retour 1 1 − cos θ x=cos θ = = = − = − ln ln donc x∈[−1,1] cos θ 2 x −1 2 x +1 2 2 2 1+ x 2 1 + cos θ àθ v 2 θ 2 sin t θ 1 θ 2 = ln tan2 = ln tan . = ln θ 2 2 2 2 cos2 2 En effet On va ici effectuer le changement de variable x = cos θ dans l’intégrale sans borne 7 Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI Exemple La fonction x 7−→ cos(2 ln x) admet x 7−→ En effet x 2 sin(2 ln x) + cos(2 ln x) pour primitive sur R∗+ . 5 Z On va ici effectuer le changement de variable x = e t dans l’intégrale sans borne cos ln x dx. On dx = e t , donc dx = e t dt. Finalement : dt Z Z Z Z (1+2i)t e t (1+2i)t (1+2i)t cos(2 ln x) dx = e cos(2t) dt = Re e dt = Re e dt = Re 1 + 2i et Retour x et 2 sin(2 ln x) + cos(2 ln x) . Re e2it (1 − 2i) = 2 sin(2t) + cos(2t) = = 5 5 5 àx « dérive » : TABLEAU RÉCAPITULATIF DES PRIMITIVES USUELLES 5 Fonction Primitive Fonction Primitive Fonction Primitive ex ex sin x − cos x sh x ch x ln x x ln x − x cos x sin x ch x sh x 1 x ln |x| tan x − ln | cos x| th x ln ch x x α (α 6= −1) x α+1 α+1 8 Fonction 1 1 + x2 1 p 1 − x2 Primitive Arctan x Arcsin x