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Terminale · Chapitre 6 · Analyse

Primitives et intégrales

30 exercices corrigés

1 Primitives — Définition et Propriétés

1.1 Définition

Définition : On dit que \(F\) est une primitive de \(f\) sur un intervalle \(I\) si \(F\) est dérivable sur \(I\) et \(F'(x) = f(x)\) pour tout \(x\in I\).

Métaphore

Si dériver est comme descendre un escalier (on passe de \(F\) à \(f\)), alors trouver une primitive, c'est remonter l'escalier (on passe de \(f\) à \(F\)).

Propriété clé : Si \(F\) est une primitive de \(f\), alors toutes les primitives de \(f\) sont de la forme \(F(x) + C\) où \(C\in\mathbb{R}\) est une constante arbitraire.

Théorème fondamental : Toute fonction continue sur un intervalle \(I\) admet des primitives sur \(I\).

1.2 Table des primitives usuelles

Fonction \(f(x)\) Primitive \(F(x)\) Conditions
\(x^n\) (\(n\neq-1\)) \(\frac{x^{n+1}}{n+1}\)
\(\frac{1}{x}\) \(\ln|x|\) \(x\neq0\)
\(e^x\) \(e^x\)
\(\sin x\) \(-\cos x\)
\(\cos x\) \(\sin x\)
\(\frac{1}{\cos^2 x}\) \(\tan x\)
\(\frac{1}{\sqrt{x}}\) \(2\sqrt{x}\) \(x>0\)

1.3 Primitives de fonctions composées

Fonction \(f(x)\) Primitive \(F(x)\) Forme générale
\(u'(x)[u(x)]^n\) \(\frac{[u(x)]^{n+1}}{n+1}\) \(n\neq-1\)
\(\frac{u'(x)}{u(x)}\) \(\ln|u(x)|\) \(u(x)\neq0\)
\(u'(x)e^{u(x)}\) \(e^{u(x)}\)
\(u'(x)\cos(u(x))\) \(\sin(u(x))\)
\(u'(x)\sin(u(x))\) ...

Exemples :

\(\int (2x+1)^5\,dx = ?\) → \(u=2x+1\), \(u'=2\). Manque un facteur 2 : \[\int(2x+1)^5\,dx = \frac{1}{2}\int 2(2x+1)^5\,dx = \frac{1}{2}\cdot\frac{(2x+1)^6}{6} = \frac{(2x+1)^6}{12}+C\]

\(\int\frac{x}{x^2+1}\,dx = ?\) → \(u=x^2+1\), \(u'=2x\). Manque facteur \(\frac{1}{2}\) : \[\int\frac{x}{x^2+1}\,dx = \frac{1}{2}\int\frac{2x}{x^2+1}\,dx = \frac{1}{2}\ln(x^2+1)+C\]


2 L'Intégrale Définie

2.1 Définition et notation

Soit \(f\) une fonction continue sur \([a;b]\) et \(F\) une primitive de \(f\). L'intégrale de \(f\) de \(a\) à \(b\) est :

\[\boxed{\int_a^b f(x)\,dx = [F(x)]_a^b = F(b)-F(a)}\]

Exemple : \(\int_0^2 x^2\,dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2 = \frac{8}{3}-0 = \frac{8}{3}\)

1 2 1 2 3 4 y = x² aire = 8/3
L’aire sous la parabole y = x² entre 0 et 2 vaut 8/3 u.a.
Exemple 1 sur 3Aire sous la courbe = 8/3 ≈ 2,67 u.a.xy01212345a = 0b = 2y = x²1. Fonction et bornes : f(x) = x², de a = 0 à b = 22. Une primitive : F(x) = x³/3, car F′(x) = x²3. Valeurs de F : F(2) = 8/3 et F(0) = 04. ∫₀² x² dx = F(2) − F(0) = 8/3 − 0 = 8/3 ≈ 2,67◀ PrécédentSuivant ▶Exemple suivant
Animation : calcul d’une intégrale pas à pas avec une primitive

🎬 À voir aussi : clique sur Suivant pour suivre le calcul étape par étape. Pour comprendre d'où vient l'aire, regarde l'animation des sommes de Riemann.

2.2 Interprétation géométrique

Si \(f(x)\geq0\) sur \([a;b]\), alors \(\int_a^b f(x)\,dx\) est l'aire (en unités d'aire) du domaine compris entre la courbe \(\mathcal{C}_f\), l'axe des abscisses, et les droites \(x=a\) et \(x=b\).

Si \(f\) change de signe, l'intégrale calcule l'aire algébrique :

  • Zones au-dessus de l'axe : contribution positive
  • Zones en-dessous de l'axe : contribution négative

Aire géométrique = \(\int_a^b |f(x)|\,dx\) (toujours positif).


3 Propriétés de l'Intégrale

3.1 Propriétés algébriques

\[\int_a^a f(x)\,dx = 0\] \[\int_a^b f(x)\,dx = -\int_b^a f(x)\,dx\] \[\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^c f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx \quad \text{(relation de Chasles)}\]

Linéarité : \[\int_a^b [\lambda f(x) + \mu g(x)]\,dx = \lambda\int_a^b f(x)\,dx + \mu\int_a^b g(x)\,dx\]

3.2 Inégalités

Si \(f(x)\leq g(x)\) pour tout \(x\in[a;b]\) et \(a<b\) : \[\int_a^b f(x)\,dx \leq \int_a^b g(x)\,dx\]

Inégalité triangulaire : \[\left|\int_a^b f(x)\,dx\right| \leq \int_a^b |f(x)|\,dx\]

3.3 Valeur moyenne

La valeur moyenne de \(f\) sur \([a;b]\) est : \[\bar{f} = \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx\]

Interprétation : c'est la hauteur du rectangle de base \([a;b]\) ayant même aire que la surface sous la courbe.


4 Théorème Fondamental de l'Analyse

Théorème : Si \(f\) est continue sur \([a;b]\), la fonction \(G\) définie par : \[G(x) = \int_a^x f(t)\,dt\]

est une primitive de \(f\) sur \([a;b]\), et \(G'(x) = f(x)\).

C'est le lien profond entre dérivation (opération locale) et intégration (opération globale).

Corollaire : Si \(F\) est une primitive de \(f\) quelconque, alors \(\int_a^x f(t)\,dt = F(x)-F(a)\).


5 Techniques d'Intégration

5.1 Intégration par parties (IPP)

\[\boxed{\int_a^b u(x)v'(x)\,dx = [u(x)v(x)]_a^b - \int_a^b u'(x)v(x)\,dx}\]

Stratégie : Choisir \(u\) et \(v'\) de sorte que \(u'v\) soit plus simple que \(uv'\).

Mnémotechnique : "ALPES" — Algèbre, Logarithme, Polynôme, Exponentielle, Sinus/Cosinus. Prendre \(u\) à gauche dans cette liste, \(v'\) à droite.

Exemple 1 : \(\int_0^1 xe^x\,dx\)

\(u=x\), \(v'=e^x\) → \(u'=1\), \(v=e^x\)

\(\int_0^1 xe^x\,dx = [xe^x]_0^1 - \int_0^1 e^x\,dx = e - [e^x]_0^1 = e-(e-1) = 1\)

Exemple 2 : \(\int_1^e \ln x\,dx\)

\(u=\ln x\), \(v'=1\) → \(u'=1/x\), \(v=x\)

\(\int_1^e \ln x\,dx = [x\ln x]_1^e - \int_1^e x\cdot\frac{1}{x}\,dx = (e\cdot1-1\cdot0)-\int_1^e 1\,dx = e - (e-1) = 1\)

Pour aller plus loin

Contenu facultatif, non exigible.

(hors programme) : changement de variable. Si \(u = g(x)\), alors \(\displaystyle\int_a^b f(g(x))\,g'(x)\,dx = \int_{g(a)}^{g(b)} f(u)\,du\). Par exemple, avec \(u = 1 - x^2\) : \(\displaystyle\int_0^1 x\sqrt{1 - x^2}\,dx = \dfrac{1}{2}\int_0^1 \sqrt{u}\,du = \dfrac{1}{3}\). Au programme, on se contente de reconnaître les formes \(u'e^u\), \(\dfrac{u'}{u}\), \(u'u^n\), \(\dfrac{u'}{\sqrt{u}}\).


6 Calcul d'Aires et Applications

6.1 Aire entre deux courbes

L'aire entre \(\mathcal{C}_f\) et \(\mathcal{C}_g\) sur \([a;b]\) (quand \(f\geq g\)) : \[\mathcal{A} = \int_a^b [f(x)-g(x)]\,dx\]

Exemple : Aire entre \(f(x)=x^2\) et \(g(x)=x\).

Points d'intersection : \(x^2=x \Rightarrow x(x-1)=0 \Rightarrow x=0\) ou \(x=1\).

Sur \([0;1]\) : \(g(x)=x\geq x^2=f(x)\) (car \(x^2\leq x\) pour \(x\in[0;1]\)).

\(\mathcal{A} = \int_0^1(x-x^2)\,dx = \left[\frac{x^2}{2}-\frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1}{2}-\frac{1}{3} = \frac{1}{6}\)

0,5 1 0,5 1 y = x y = x² (1 ; 1) 1/6
Entre les courbes y = x et y = x² sur [0 ; 1], l’aire vaut 1/6 u.a.

6.2 Valeur moyenne

Définition

La valeur moyenne d'une fonction continue \(f\) sur \([a ; b]\) (\(a < b\)) est \[\mu = \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx\] Si \(f\) est positive, c'est la hauteur du rectangle de base \([a ; b]\) qui a la même aire que le domaine sous la courbe.

Pour aller plus loin

Contenu facultatif, non exigible.

(hors programme) : on peut calculer des volumes de révolution, \(V = \pi\int_a^b f(x)^2\,dx\), et des intégrales sur un intervalle non borné, comme \(\int_1^{+\infty} \dfrac{1}{x^2}\,dx = \lim\limits_{A \to +\infty}\left(1 - \dfrac{1}{A}\right) = 1\).


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