―  Chapitre 5 · Mathématiques approfondies  ―

Intégration sur un segment

Primitives · Intégrale · Changement de variable · IPP · Fonctions définies par une intégrale

Table des matières
I
Primitive d'une fonction continue
Définition 1Primitive

Soit $f$ une fonction définie sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$.

On appelle primitive de $f$ sur $I$ toute fonction $F$ dérivable sur $I$ telle que :

\[\forall x \in I,\quad F'(x) = f(x)\]
Proposition 1
Propriétés des primitives
  • Si $F$ est une primitive de $f$, alors les primitives de $f$ sont $F + c$ où $c \in \mathbb{R}$.
  • Si la fonction $f$ est continue sur $I$ (avec $I$ intervalle de $\mathbb{R}$), alors $f$ admet une primitive $F$ sur $I$.
Tableau des primitives usuelles
Fonction $f$Primitive $F$Conditions
$a$$ax$$a \in \mathbb{R}$
$x^n$$\dfrac{x^{n+1}}{n+1}$$n \in \mathbb{Z},\ n \neq -1$
$\dfrac{1}{x}$$\ln|x|$$x \neq 0$
$e^x$$e^x$—
$\ln x$$x\ln x - x$$x > 0$
$\cos x$$\sin x$—
$\sin x$$-\cos x$—
$\tan x$$-\ln|\cos x|$$x \neq \dfrac{\pi}{2} + k\pi$
$\dfrac{1}{1+x^2}$$\arctan x$—
$\dfrac{1}{\cos^2 x}$$\tan x$—
$\sqrt{x}$$\dfrac{2}{3}x^{3/2}$$x \geq 0$
$\dfrac{1}{\sqrt{x}}$$2\sqrt{x}$$x > 0$
$x^{\alpha}$$\dfrac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1}$$\alpha \in \mathbb{R}\setminus\{-1\},\ x > 0$
Le théorème de la dérivée d'une composée permet de retrouver le tableau précédent en posant $u(t) = t$. On peut aussi retrouver les primitives des fonctions composées usuelles : \[f = u' \cdot \varphi(u) \implies F = \Phi(u)\] où $\Phi$ est une primitive de $\varphi$.
Tableau de primitives de fonctions composées (avec $u$ dérivable)
$f$Primitive $F$
$u'u^n$$\dfrac{u^{n+1}}{n+1},\ n \neq -1$
$\dfrac{u'}{u}$$\ln|u|$
$u'e^u$$e^u$
$u'\cos u$$\sin u$
$u'\sin u$$-\cos u$
$\dfrac{u'}{1+u^2}$$\arctan u$
$\dfrac{u'}{\sqrt{u}}$$2\sqrt{u}$
II
Primitive et intégrale
1 — Intégrale d'une fonction continue sur un segment
Définition 1Intégrale

Soit $(a,b) \in \mathbb{R}^2$ et soit $f$ continue sur le segment reliant $a$ et $b$. On appelle intégrale de $f$ entre $a$ et $b$ le nombre :

\[\int_a^b f(t)\,dt = \Big[F(t)\Big]_{t=a}^{t=b} = F(b) - F(a)\]

où $F$ est l'une des primitives de $f$.

1. Pour avoir l'existence de l'intégrale, il faut avoir continuité de $f$ sur le fermé d'intégration $[a,b]$.
2. La variable d'intégration est muette : on peut la remplacer par n'importe quelle autre lettre. Ainsi : \[\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^b f(t)\,dt = \int_a^b f(u)\,du\]
2 — Calcul d'intégrales par recherche d'une primitive

Pour calculer une intégrale, il faut trouver une primitive de $f$, c'est-à-dire une fonction $F$ telle que $F' = f$.

Pour calculer l'intégrale d'un quotient, il faut transformer la fonction. Voici quelques méthodes :

Décomposition en éléments simples.
Reconnaissance d'une forme $\dfrac{u'}{u}$, $u'e^u$, $u'u^n$, etc.
S'inspirer de la dérivée d'une expression connue.
III
Autres méthodes de calculs d'intégrales
1 — Changement de variable
Proposition 1
Changement de variable

Soit $f$ continue sur $[a,b]$ et $u$ une fonction qui vérifie :

  • $u$ est de classe $C^1$ sur $[\alpha,\beta]$,
  • $u$ réalise une bijection de $[\alpha,\beta]$ sur $[a,b]$ (avec $u(\alpha) = a$ et $u(\beta) = b$).

On a alors la formule de changement de variable :

\[\int_a^b f(x)\,dx = \int_\alpha^\beta f(u(t))\,u'(t)\,dt\]
Méthode :
  1. Écrire l'égalité entre la nouvelle variable et l'ancienne variable puis dériver des deux côtés de $=$. Pour créer l'égalité des blocs 1 et 2 : $t = \varphi(x)$ ou $x = \varphi(t)$
  2. Délimiter les blocs 1 et 2 dans l'ancienne intégrale et remplacer chacun dans la nouvelle (bloc 2 = tout ce qui n'est pas dans le bloc 1).
  3. S'occuper pour finir de modifier les bornes (en utilisant le bloc 2).
2 — Intégration par parties
Proposition 2
Intégration par parties (IPP)

Soient $u$ et $v$ deux fonctions de classe $C^1$ sur $[a,b]$. Alors :

\[\int_a^b u(t)\,v'(t)\,dt = \Big[u(t)\,v(t)\Big]_{t=a}^{t=b} - \int_a^b u'(t)\,v(t)\,dt\]

Preuve : il suffit de remarquer que $uv' = (uv)' - u'v$ et d'intégrer cette égalité.

Méthode IPP : l'intégrale du produit initial est égale au produit des primitives évalué entre les bornes, moins l'intégrale des fonctions nouvellement créées. Pour cela, on intègre l'une des fonctions et on dérive l'autre. La formule dit que l'intégrale d'un produit permet de calculer l'intégrale d'un autre produit.
Formules trigonométriques utiles

Pour calculer l'intégrale avec des fonctions trigonométriques, on utilise les formules :

$\cos^2 x = \dfrac{1+\cos(2x)}{2}$
$\sin^2 x = \dfrac{1-\cos(2x)}{2}$
IV
Opérations sur les intégrales
1 — Propriétés de l'intégrale
Proposition 1
Linéarité de l'intégrale

Soit $I$ intervalle de $\mathbb{R}$, $(a,b) \in I^2$ et soit $f, g$ continues sur $I$. On a :

  • $\displaystyle\int_a^b (f+g)(t)\,dt = \int_a^b f(t)\,dt + \int_a^b g(t)\,dt$
  • $\displaystyle\forall \lambda \in \mathbb{R},\quad \int_a^b \lambda f(t)\,dt = \lambda \int_a^b f(t)\,dt$
  • $\displaystyle\forall (\lambda,\mu) \in \mathbb{R}^2,\quad \int_a^b (\lambda f + \mu g)(t)\,dt = \lambda\int_a^b f(t)\,dt + \mu\int_a^b g(t)\,dt$

Soient $f_1, f_2, \dots, f_n$ des fonctions continues sur $I$, alors on a :

\[\int_a^b \sum_{k=1}^n f_k(t)\,dt = \sum_{k=1}^n \int_a^b f_k(t)\,dt\]
Proposition 2
Relation de Chasles

Soit $I$ intervalle de $\mathbb{R}$ et soit $f$ continue sur $I$.

  • $\displaystyle\forall (a,b,c) \in I^3,\quad \int_a^b f(t)\,dt + \int_b^c f(t)\,dt = \int_a^c f(t)\,dt$ (relation de Chasles)
  • Pour $(a,b) \in I^2$ : $\displaystyle\int_a^a f(t)\,dt = 0$ et $\displaystyle\int_a^b f(t)\,dt = -\int_b^a f(t)\,dt$
  • Pour $(x_0,x_1,\dots,x_n) \in I^{n+1}$ :
\[\int_{x_0}^{x_n} f(t)\,dt = \int_{x_0}^{x_1} f(t)\,dt + \int_{x_1}^{x_2} f(t)\,dt + \cdots + \int_{x_{n-1}}^{x_n} f(t)\,dt = \sum_{k=0}^{n-1} \int_{x_k}^{x_{k+1}} f(t)\,dt\]
Proposition 3
Intégrale des fonctions paires et impaires

Soit $f : [-a,a] \to \mathbb{R}$ avec $f$ continue sur $[-a,a]$.

  • Si $f$ est une fonction impaire alors $\displaystyle\int_{-a}^{a} f(t)\,dt = 0$
  • Si $f$ est une fonction paire alors $\displaystyle\int_{-a}^{a} f(t)\,dt = 2\int_0^a f(t)\,dt$
Proposition 4
Positivité de l'intégrale

Soit $(a,b) \in \mathbb{R}^2$ avec $a < b$ et soit $f$ continue sur $[a,b]$.

Si $f$ est positive sur $[a,b]$ (c'est-à-dire $\forall t \in [a,b],\, f(t) \geq 0$) et si $a \leq b$, alors :

\[\int_a^b f(t)\,dt \geq 0\]
Proposition 5
Intégration d'une inégalité entre $a$ et $b$ avec $a < b$

Soit $(a,b) \in \mathbb{R}^2$ avec $a < b$ et soit $f, g$ continues sur $[a,b]$.

Si $\forall t \in [a,b],\ f(t) \leq g(t)$ alors :

\[\int_a^b f(t)\,dt \leq \int_a^b g(t)\,dt \qquad \text{et} \qquad \left|\int_a^b f(t)\,dt\right| \leq \int_a^b |f(t)|\,dt\]
Proposition 6
Intégrale nulle

Soit $(a,b) \in \mathbb{R}^2$ avec $a < b$ et soit $f$ continue sur $[a,b]$.

  • Si $f$ est positive et non nulle sur $[a,b]$ alors $\displaystyle\int_a^b f(t)\,dt > 0$
  • Si $f$ est positive sur $[a,b]$ et si $\displaystyle\int_a^b f(t)\,dt = 0$ alors $f$ est nulle sur $[a,b]$ : $\forall t \in [a,b],\ f(t) = 0$

Si on sait seulement que $\displaystyle\int_a^b f(t)\,dt = 0$, on ne peut rien dire sur $f$.

2 — Intégrales et inégalités
1. L'ordre des bornes est fondamental : on doit avoir $a < b$. Par exemple si $a = x$ et $b = x^2$, il faut le vérifier quand cela n'est pas évident.
2. Pour encadrer une intégrale, on encadre la fonction à intégrer sur $t \in [a,b]$ (le fermé d'intégration), puis on intègre l'inégalité obtenue.
V
Fonction définie par une intégrale
Proposition 7
Écriture d'une primitive à l'aide du symbole intégrale

Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$ et soit $a \in I$. Pour $x \in I$ on pose :

\[F(x) = \int_a^x f(t)\,dt\]
  • La fonction $F$ ainsi définie est dérivable sur $I$ et $\forall x \in I,\ F'(x) = f(x)$.
  • $F$ est donc une primitive de la fonction continue $f$ sur $I$.
Plus généralement, si $f$ est continue et $u$ est dérivable : \[\frac{d}{dx}\int_a^{u(x)} f(t)\,dt = f(u(x)) \cdot u'(x)\]