Primitives et intégration
Ce que ce chapitre apporte6 points
- Reconnaître une primitive et savoir qu'il en existe une infinité, à une constante près.
- Utiliser le tableau des primitives usuelles et les formes composées.
- Calculer une intégrale définie avec le théorème fondamental.
- Interpréter une intégrale comme une aire algébrique, et calculer une aire entre deux courbes.
- Appliquer la relation de Chasles, la linéarité, et calculer une valeur moyenne.
- Intégrer par parties, et effectuer un changement de variable simple.
Primitives
F est une primitive de f sur un intervalle I si sur I.
C'est la dérivation lue de droite à gauche. est une primitive de , parce que la dérivée de est bien .
Si F est une primitive de f, alors toutes les primitives de f sont les fonctions , où C est une constante quelconque.
La raison est simple : deux fonctions ont la même dérivée si et seulement si elles diffèrent d'une constante. Une constante disparaît à la dérivation, donc rien ne permet de la retrouver.
Géométriquement, ces primitives sont toutes la même courbe glissée verticalement. En un point d'abscisse donnée, elles ont donc toutes la même pente, ce qui est exactement ce que dit l'égalité des dérivées.
Quand l'énoncé impose une condition (« la primitive qui vaut 3 en 0 »), on écrit la forme générale , on injecte la condition, et on en tire C. Il n'y a alors plus qu'une réponse.
Le tableau des primitives usuelles
C'est le tableau des dérivées, lu à l'envers.
| f(x) | Une primitive F(x) | Valable sur |
|---|---|---|
| ℝ | ||
| (n ≠ −1) | ℝ | |
| ou | ||
| x ≠ 0 | ||
| ℝ | ||
| ℝ | ||
| ℝ | ||
| ℝ | ||
| hors π/2 + kπ |
sin est −cos (le signe moins apparaît ici, pas à la dérivation). Et la primitive de est ln|x| avec la valeur absolue : sans elle, la formule serait fausse pour x négatif.
Les formes composées
Ce sont celles qu'on rencontre partout. Chaque ligne se vérifie en dérivant de droite à gauche.
| f(x) | Une primitive |
|---|---|
Exemple travaillé. Primitives de .
On voudrait la forme avec . Or , et on n'a que . On corrige par un facteur constant :
D'où , sans valeur absolue ici, car est toujours positif.
L'intégrale, avant toute formule
L'introduction parlait d'accumuler une grandeur qui varie. Voici comment on s'y prend, et c'est de là que vient tout le reste.
Pour accumuler une puissance qui change au fil du temps, on commence par tricher : on découpe la durée en petits morceaux, et sur chacun on fait comme si la puissance ne bougeait pas. Sur un morceau, énergie égale puissance fois durée, c'est-à-dire l'aire d'un rectangle. On additionne les rectangles, et l'on obtient une valeur approchée.
Découpons en n morceaux de largeur . La somme de Riemann associée est
où est un point du i-ième morceau. L'intégrale est la limite de ces sommes quand n tend vers l'infini :
La notation elle-même raconte cette histoire. Le signe est un S allongé, celui de « somme », et le est ce qui reste de la largeur quand elle devient infiniment petite. Un produit est bien une hauteur fois une largeur, c'est-à-dire l'aire d'un rectangle.
La figure suivante montre le procédé sur entre 0 et 2, avec quatre rectangles seulement.
somme des rectangles 2,625 · aire exacte 2,66667 · écart 0,041669
Avec quatre rectangles, l'écart se voit. Avec vingt, il faut le chercher.
somme des rectangles 2,665 · aire exacte 2,66667 · écart 0,001669
Des nombres valent mieux qu'une impression. Voici, pour dont la valeur exacte est , la somme obtenue en prenant la hauteur de chaque rectangle au milieu de son pas.
| Rectangles | Somme obtenue | Écart à la valeur exacte | Écart divisé par |
|---|---|---|---|
| 4 | 2,62500000 | 0,04166667 | |
| 8 | 2,65625000 | 0,01041667 | 4 |
| 16 | 2,66406250 | 0,00260417 | 4 |
| 32 | 2,66601563 | 0,00065104 | 4 |
| 64 | 2,66650391 | 0,00016276 | 4 |
La dernière colonne est le fait marquant : doubler le nombre de rectangles divise l'écart par quatre, et non par deux. L'erreur décroît donc comme , et multiplier par dix la divise par cent. La limite n'est pas une précaution de langage, elle se mesure.
Deux remarques valent pour toute la suite du chapitre. D'abord, ce calcul ne demande aucune primitive : il permet d'intégrer une fonction dont personne ne sait écrire la primitive, et c'est ce que fait toute machine. Ensuite, cette régularité est précisément ce qui permet de savoir à l'avance combien de rectangles prendre pour une précision demandée.
Le théorème qui suit dit qu'on peut obtenir le même nombre sans additionner quoi que ce soit, en cherchant une fonction dont f est la dérivée. C'est un raccourci, et rien n'obligeait un tel raccourci à exister.
L'intégrale définie
Si F est une primitive de f sur , alors
Ce nombre se note aussi entre a et b.
C'est le résultat qui relie les deux moitiés de l'analyse : une aire (notion géométrique) se calcule avec une primitive (notion algébrique). Rien n'obligeait ces deux mondes à se rejoindre ; c'est le théorème central du calcul différentiel.
Exemple travaillé. .
Une primitive est . Donc :
Ce que le résultat signifie
Si sur , l'intégrale est l'aire de la région comprise entre la courbe, l'axe des abscisses et les droites et , exprimée en unités d'aire.
Si f est négative, l'intégrale est négative : on parle d'aire algébrique. C'est la source d'erreur numéro un du chapitre.
C'est tout le sens du mot algébrique. Sur l'intégrale vaut 2, sur elle vaut −2, et la somme des deux fait 0. L'aire géométrique, elle, vaut 4.
Les propriétés de calcul
Linéarité : et .
Chasles : . C'est ce qui permet de découper un intervalle.
Inversion des bornes : . Et .
Positivité : si sur avec , alors . Si , alors .
Il n'existe en revanche aucune formule pour l'intégrale d'un produit ou d'un quotient. . C'est précisément pour traiter les produits qu'existe l'intégration par parties.
Aire entre deux courbes
Si sur , l'aire de la région comprise entre les deux courbes vaut :
Exemple travaillé. Aire entre et sur .
Sur cet intervalle, (vérification en 0,5 : 0,5 > 0,25). Donc :
L'écrire d'un seul coup a un avantage. Si les deux courbes passent sous l'axe des abscisses, chacune des deux aires devient négative, mais leur différence reste la hauteur de la région. La formule vaut donc telle quelle, même sous l'axe, et c'est ce qui la rend sûre.
Valeur moyenne
La valeur moyenne de f sur est .
C'est la hauteur du rectangle qui aurait la même aire que la région sous la courbe. En physique, c'est la tension moyenne d'un signal, la puissance moyenne sur une période, la température moyenne d'une journée.
La formule se lit d'ailleurs mieux à l'envers : . À gauche, l'aire d'un rectangle de hauteur et de largeur ; à droite, l'aire sous la courbe. La valeur moyenne est la hauteur qui égalise les deux.
Exemple travaillé. Valeur moyenne de sur .
L'intégrale vaut , calculée plus haut. La largeur de l'intervalle est 2. Donc .
Le contrôle est instructif : la fonction va de 0 à 4 sur cet intervalle, et sa moyenne n'est pas 2, le milieu des deux valeurs. Elle vaut 1,33, nettement moins, parce que la fonction passe beaucoup plus de temps près de 0 que près de 4. Une moyenne d'intégrale pondère par la durée, ce qu'une demi-somme des extrémités ne fait pas.
Intégration par parties
Elle traite les intégrales de produits, quand la forme composée ne s'applique pas.
Elle vient directement de la dérivée d'un produit : , qu'on intègre des deux côtés puis qu'on réarrange.
L'idée est un échange : on remplace l'intégrale de par celle de , en espérant que la seconde soit plus simple. Tout dépend donc du choix de u et de v.
ln), et u' = le facteur qu'on sait primitiver (typiquement , , ). Un polynôme de degré n perd un degré à chaque dérivation : au bout de n intégrations par parties, il a disparu.
Exemple travaillé. .
On pose (qui se simplifie : ) et (dont on connaît la primitive : ).
Le cas particulier du logarithme. Pour , il n'y a apparemment qu'un facteur. On écrit et on pose (donc ) et (donc ) :
C'est un résultat à connaître.
Changement de variable
Quand une expression revient plusieurs fois, on lui donne un nom.
en posant , on remplace , et on convertit les bornes : si x va de a à b, alors t va de à .
Exemple travaillé. .
On pose , donc . Les bornes deviennent : et .
Notons qu'on aurait pu traiter cet exemple directement en forme composée : les deux méthodes sont cohérentes, la substitution ne fait que rendre le calcul plus visible.
Comment choisir sa méthode
| Ce qu'on voit | Méthode |
|---|---|
| une fonction du tableau | primitive directe |
| la dérivée d'un morceau en facteur | forme composée (, , …) |
| polynôme × exponentielle (ou sinus, cosinus) | intégration par parties |
| un seul, ou polynôme × | intégration par parties |
| une expression qui revient, dont la dérivée est là | changement de variable |
| une fraction rationnelle | décomposition en éléments simples, puis |
L'intégrale et l'aire, autant de fois qu'il faut
Tant que la courbe reste au-dessus de l'axe, l'intégrale et l'aire sont le même nombre, et c'est ce qui installe la confusion : tous les premiers exemples sont de ce genre. L'exercice ci-dessous fait d'abord calculer les deux morceaux séparément, pour que l'écart entre les deux réponses finales soit une conséquence et non une surprise.
Deux morceaux, une intégrale et une aire
Soit , sur l'intervalle .
- L'intégrale de entre et
- L'intégrale de entre et
- L'intégrale de entre et
- L'aire comprise entre la courbe et l'axe, sur
Où la démarche dérape
Un calcul juste ligne à ligne, dont la conclusion annonce qu'une surface visible a une aire nulle.
Une aire qui s'annule toute seule
Une seule étape est fausse. Désigner laquelle.
On veut l'aire de la surface comprise entre la courbe de et l'axe des abscisses, sur l'intervalle avec .
À calculer soi-même
Cinq intégrales, une par méthode du chapitre. Reconnaître la méthode est la moitié du travail ; la seconde moitié se fait sur le papier, et le nombre trouvé se vérifie ici.
Choisir la méthode, puis conclure
- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
- 5.
L'aire comprise entre et , pour entre 0 et 1.
Exercices type
Primitives de
Contrôle : en dérivant, on retrouve bien ✓
Primitive de
Le numérateur est exactement la dérivée du dénominateur : forme .
Le trinôme a pour discriminant : il est toujours strictement positif, donc la valeur absolue est inutile.
Calculer
Forme avec et .
Calculer
Intégration par parties : (se simplifie), (donc ).
Aire entre et l'axe des abscisses
La courbe coupe l'axe en et , et elle est au-dessus entre les deux.
Valeur moyenne de sur
C'est la valeur moyenne d'une alternance redressée : un résultat qu'on retrouvera en électricité.
La méthode sur feuille
- Chercher d'abord la forme composée. La dérivée d'un morceau est-elle en facteur ? C'est la question qui fait gagner le plus de temps.
- Si c'est un produit dont un facteur se simplifie en dérivant, partir sur une intégration par parties, en annonçant clairement le choix de u et v.
- Ajuster les constantes : si on a et qu'il faut , écrire . Ne jamais « perdre » un facteur en route.
- Contrôler en dérivant. Une primitive se vérifie en dix secondes. Le faire systématiquement : c'est le seul chapitre où la vérification est gratuite.
- Contrôler le signe : une aire est positive, une intégrale peut être négative.
- Pour un changement de variable, écrire la conversion des bornes sur une ligne à part.
1.Que vaut de −π à π de ?
2.Quelle est la différence entre « déterminer les primitives de f » et « calculer de a à b de f » ?
3.Un étudiant écrit . Que penser ?
4.Dans , pourquoi la valeur absolue ?
Synthèse
- L'intégrale est d'abord une accumulation : la limite des sommes de rectangles quand leur largeur tend vers zéro. Le signe est un S de « somme », et est ce qui reste de la largeur.
- Une primitive F vérifie . Elles diffèrent toutes d'une constante : ne jamais perdre le . Leurs courbes se déduisent l'une de l'autre par glissement vertical.
- Le tableau des primitives est celui des dérivées, à l'envers. Attention : primitive de = , primitive de = .
- Formes composées : , , , . Chercher la dérivée d'un morceau en facteur est le premier réflexe.
- Théorème fondamental : .
- L'intégrale est une aire algébrique : négative là où la fonction est sous l'axe. Aire ≠ intégrale.
- Aire entre deux courbes : intégrer « celle du haut moins celle du bas », entre les points d'intersection.
- Chasles pour découper, linéarité pour séparer. Aucune formule pour un produit.
- Valeur moyenne : , c'est-à-dire la hauteur du rectangle de même aire. Elle pondère par la durée, et ne vaut donc pas la demi-somme des valeurs extrêmes.
- Par parties : . On dérive ce qui se simplifie, on primitive ce qu'on sait primitiver.
- Changement de variable : convertir aussi les bornes.
- Une primitive se vérifie en dérivant. Toujours.
Mettre en pratique
Le tableau des dérivées lu à l'envers, l'aire entre deux courbes, et ce que les bornes changent.
- Le tableau des dérivées, lu à l'enversNiveau 2
- L'aire entre deux courbesNiveau 3
- Ce que les bornes changentNiveau 2