Cours sur les primitives (IPP, changement de variables, Taylor Lagrange avec reste intégral)

Primitives d'une fonction continue.

Définition

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II. Une fonction FF, définie sur un intervalle II, est une primitive{\color{red}{\bf{primitive}}} de ff si elle est dérivable sur II et si :
xI,F(x)=f(x)\forall x \in I, \,\, F'(x) = f(x)

Théorèmes

Théorème 1
Deux primitives de ff diffèrent d'une constante. C'est-à-dire que si FF est une primitive de ff sur un intervalle II alors toutes les primitives de ff sur II sont de la forme xF(x)+Cx \longmapsto F(x) + C, avec CRC \in \mathbb{R}.
Théorème 2
Si ff est une fonction continue sur un intervalle II contenant aa, alors la fonction FF définie par F(x)=axf(t)dtF(x) = \int_a^x f(t) \, dt est une primitive de ff. C'est d'ailleurs lunique{\color{red}{\bf{l'unique}}} primitive qui s'annule en x=ax=a. On note par f(t)dt\int f(t) \, dt ou f\int f une primitive quelconque de ff.
Théorème 3
Pour toute primitive F\mathcal{F} de ff sur un intervalle II contenant aa et xx, on a :
axf(t)dt=[F(t)]ax=F(x)F(a)\int_a^x f(t) \, dt = \big[ \mathcal{F}(t) \big]_a^x = \mathcal{F}(x) - \mathcal{F}(a)
Le calcul d'intégrales de fonctions continues se ramène don à la recherche de primitives.
Théorème 4
Pour toute fonction ff de classe C1C^1 sur un intervalle II contenant aa et xx, on a :
f(x)f(a)=axf(t)dtf(x) - f(a) = \int_a^x f'(t) \, dt

Méthodes de calcul.

Linéarité

Théorème 5
Si FF et GG sont des primitives respectives de ff et gg sur un intervalle II et kk est un nombre réel, alors F+GF + G est la primitive de f+Gf +G et kFkF est la primitive de kfkf sur ce même intervalle II.
Retenons les relations trigonométriques utiles à cet usage . Ces relations se retrouvent à l'aide de la linérisation.
cos2(x)=12(1+cos(2x))\star \,\, \cos^2(x) = \dfrac{1}{2} \big( 1 + \cos(2x) \big)
sin2(x)=12(1cos(2x))\star \star \,\, \sin^2(x) = \dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big)
cos3(x)=14(3cos(x)+cos(3x))\star \star \star \,\, \cos^3(x) = \dfrac{1}{4} \big( 3 \cos(x) + \cos(3x) \big)
sin3(x)=14(3sin(x)sin(3x))\star \star \star \star \,\, \sin^3(x) = \dfrac{1}{4} \big(3 \sin(x) - \sin(3x) \big)
Exemple :\pink{\text{Exemple :}} Déterminons les primitives de xsin4(x)x \longmapsto \sin^4(x). On a :
sin4(x)=sin2(x)×sin2(x)=12(1cos(2x))×12(1cos(2x))=14(1cos(2x))2\sin^4(x) = \sin^2(x) \times \sin^2(x) = \dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) \times \dfrac{1}{2} \big( 1 - \cos(2x) \big) = \dfrac{1}{4} \big( 1 - \cos(2x) \big)^2
Donc :
sin4(x)=14(12cos(2x)+cos2(2x))=14(12cos(2x)+12(1+cos(4x)))\sin^4(x) = \dfrac{1}{4} \big( 1 - 2\cos(2x) + \cos^2(2x)\big) = \dfrac{1}{4} \big( 1 - 2\cos(2x) + \dfrac{1}{2} \big( 1 + \cos(4x) \big) \big)
D'où :
sin4(x)=1412cos(2x)+18+18cos(4x)=3812cos(2x)+18cos(4x)\sin^4(x) = \dfrac{1}{4} - \dfrac{1}{2}\cos(2x) + \dfrac{1}{8} + \dfrac{1}{8}\cos(4x) = \dfrac{3}{8} - \dfrac{1}{2}\cos(2x) + \dfrac{1}{8}\cos(4x)
Ainsi, on en déduit que :
sin4(x)dx=(3812cos(2x)+18cos(4x))dx=381dx12cos(2x)dx+18cos(4x)dx\int \sin^4(x) \, dx = \int \left( \dfrac{3}{8} - \dfrac{1}{2}\cos(2x) + \dfrac{1}{8}\cos(4x) \right) \, dx = \dfrac{3}{8} \int 1 \, dx - \dfrac{1}{2} \int \cos(2x) \, dx + \dfrac{1}{8} \int \cos(4x) \, dx
Ce qui nous donne, avec KRK \in \mathbb{R} :
sin4(x)dx=38x12×12sin(2x)+18×14sin(4x)+K\int \sin^4(x) \, dx = \dfrac{3}{8}x - \dfrac{1}{2} \times \dfrac{1}{2}\sin(2x) + \dfrac{1}{8} \times \dfrac{1}{4} \sin(4x) + K
Finalement :
sin4(x)dx=38x14sin(2x)+132sin(4x)+K\int \sin^4(x) \, dx = \dfrac{3}{8}x - \dfrac{1}{4}\sin(2x) + \dfrac{1}{32} \sin(4x) + K

Intégration par parties.

Théorème 6
Soit uu et vv deux fonctions de classe C1C^1 sur un intervalle II, et aa et bb deux éléments réels de II tels que a<ba<b. On a alors :
abu(t)×v(t)dt=[u(t)×v(t)]ababu(t)×v(t)dt\int_a^b u'(t) \times v(t) \, dt = \big[ u(t) \times v(t)\big]_a^b - \int_a^b u(t) \times v'(t) \, dt
On écrit également :
u(t)×v(t)dt=u(t)×v(t)u(t)×v(t)dt\int u'(t) \times v(t) \, dt = u(t) \times v(t) - \int u(t) \times v'(t) \, dt
Casclassiquesdutilisation:{\color{green}{\bf{\,\,\,\,\, \blacktriangledown \,\, Cas \,\, classiques \,\, d'utilisation :}}}
On note par PP est un polynôme, α\alpha est un nombre réel non nul et β\beta est un nombre réel quelconque. On a :
\star \,\, Pour abP(t)×sin(αt+β)dt\int_a^b P(t) \times \sin(\alpha t + \beta) \, dt on pose v(t)=P(t)v(t) = P(t) et u(t)=sin(αt+β)u'(t) = \sin(\alpha t + \beta).
\star \star \,\, Pour abP(t)×cos(αt+β)dt\int_a^b P(t) \times \cos(\alpha t + \beta) \, dt on pose v(t)=P(t)v(t) = P(t) et u(t)=cos(αt+β)u'(t) = \cos(\alpha t + \beta).
\star \star \star \,\, Pour abP(t)×eαt+βdt\int_a^b P(t) \times e^{\alpha t + \beta} \, dt on pose v(t)=P(t)v(t) = P(t) et u(t)=eαt+βu'(t) = e^{\alpha t + \beta}.
\star \star \star \star \,\, Pour abP(t)×ln(t)dt\int_a^b P(t) \times \ln(t) \, dt on pose v(t)=ln(t)v(t) = \ln(t) et u(t)=P(t)u'(t) = P(t).
\star \star \star \star \star \,\, Pour abeαt×cos(βt)dt\int_a^b e^{\alpha t} \times \cos(\beta t) \, dt on effectue deux intégrations par parties en posant à chaque fois v(t)=eαtv(t) = e^{\alpha t} afin de faire apparaître cette même intégrale.
\star \star \star \star \star \star \,\, Pour abeαt×sin(βt)dt\int_a^b e^{\alpha t} \times \sin(\beta t) \, dt on effectue deux intégrations par parties en posant à chaque fois v(t)=eαtv(t) = e^{\alpha t} afin de faire apparaître cette même intégrale.
Il est également possible d'écrire, avec i2=1i^2=-1, que :
abeαt×cos(βt)dt=eˊ(abe(α+iβ)tdt)=eˊ([e(α+iβ)tα+iβ]ab)\int_a^b e^{\alpha t} \times \cos(\beta t) \, dt = \Re\mathrm{é} \left( \int_a^b e^{(\alpha +i \beta)t} \, dt \right) = \Re\mathrm{é} \left( \left[ \dfrac{e^{(\alpha +i \beta)t}}{\alpha +i \beta} \right]_a^b \right)
et
abeαt×sin(βt)dt=m(abe(α+iβ)tdt)=m([e(α+iβ)tα+iβ]ab)\int_a^b e^{\alpha t} \times \sin(\beta t) \, dt = \Im\mathrm{m} \left( \int_a^b e^{(\alpha +i \beta)t} \, dt \right) = \Im\mathrm{m} \left( \left[ \dfrac{e^{(\alpha +i \beta)t}}{\alpha +i \beta} \right]_a^b \right)
Ceci repose sur le fait que :
abeˊ(f(t))dt=eˊ(abf(t)dt)\int_a^b \Re\mathrm{é} \left( f(t) \right) \, dt = \Re\mathrm{é} \left( \int_a^b f(t) \, dt \right) \,\,\,\,\, et abm(f(t))dt=m(abf(t)dt)\,\,\,\,\, \int_a^b \Im\mathrm{m} \left( f(t) \right) \, dt = \Im\mathrm{m} \left( \int_a^b f(t) \, dt \right)
Exemple :\pink{\text{Exemple :}} Déterminons les primitives de xxsin(2x+3)x \longmapsto x\sin(2x+3) sur R\mathbb{R}.
On va dériver l'expression xx et intégrer l'expression sin(2x+3)\sin(2x+3) pour obtenir 12cos(2x+3)-\dfrac{1}{2}\cos(2x+3). On a alors :
xsin(2x+3)=x×(12cos(2x+3))(1×(12cos(2x+3)))dx\int x\sin(2x+3) = x \times \left( -\dfrac{1}{2}\cos(2x+3) \right) - \int \left( 1 \times \left( -\dfrac{1}{2}\cos(2x+3) \right) \right) \, dx
Soit :
xsin(2x+3)=x2cos(2x+3)+12cos(2x+3)dx\int x\sin(2x+3) = -\dfrac{x}{2}\cos(2x+3) + \dfrac{1}{2}\int \cos(2x+3) \, dx
Soit encore :
xsin(2x+3)=x2cos(2x+3)+12×12sin(2x+3)+K(KR)\int x\sin(2x+3) = -\dfrac{x}{2}\cos(2x+3) + \dfrac{1}{2} \times \dfrac{1}{2} \sin(2x+3) + K \,\,\,\, (K \in \mathbb{R})
Finalement :
xsin(2x+3)=x2cos(2x+3)+14sin(2x+3)+K(KR)\int x\sin(2x+3) = -\dfrac{x}{2}\cos(2x+3) + \dfrac{1}{4} \sin(2x+3) + K \,\,\,\, (K \in \mathbb{R})

Intégration par changement de variable

Définition : Soit uu une fonction de classe C1C^1 sur l'intervalle [α;β][\alpha \,;\, \beta] inclus dans l'intervalle [a;b][a \,;\, b] et ff une fonction continue sur cet intervalle "plus large" [a;b][a \,;\, b]. Dans ce cas :
αβf(u(t))u(t)dt=u(α)u(β)f(x)dx\int_\alpha^\beta f\big( u(t) \big) \, u'(t) \, dt = \int_{u(\alpha)}^{u(\beta)} f(x) \, dx
Si uu est une fonction bijective, alors uu admet une fonction réciproque notée Ru\mathcal{R}_u. Et on a alors :
abf(x)dx=Ru(a)Ru(a)f(u(t))u(t)dt\int_{a}^{b} f(x) \, dx = \int_{\mathcal{R}_u(a)}^{\mathcal{R}_u(a)} f\big( u(t) \big) \, u'(t) \, dt
Car en posant x=u(t)x = u(t) on a alors dx=u(t)dtdx = u'(t) \, dt.
Par exemple déterminons la primitive de xsin4(x)cos(x)x \longmapsto \sin^4(x) \cos(x). On recherche donc :
sin4(x)cos(x)dx\int \sin^4(x) \cos(x) \, dx
On pose u=sin(x)u = \sin(x) ce qui implique que :
u=dudx=cos(x)u' = \dfrac{du}{dx} = \cos(x)
Ce qui nous permet d'écrire que :
du=cos(x)dxdu = \cos(x) \, dx
On a alors :
sin4(x)cos(x)dx=u4du=15u5+Kavec:KR\int \sin^4(x) \cos(x) \, dx = \int u^4 \, du = \dfrac{1}{5}u^5 + K \,\,\,\, \mathrm{avec} : K \in \mathbb{R}
Finalement :
sin4(x)cos(x)dx=15sin5(x)+K\int \sin^4(x) \cos(x) \, dx = \dfrac{1}{5}\sin^5(x) + K
Dans le cas d'une intégrale, nous allons illuster la méthode. En effet, déterminons la valeur numérique de l'intégrale I\mathcal{I} suivante :
I=1411+xdx\mathcal{I} = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx
Posons t=1+xt = 1 + \sqrt{x}. Ceci nous donne x=(t1)2x = (t-1)^2.
On vérifie bien que, sur l'intervalle d'intégration [1;4][1 \,;\, 4], la fonction g:x(x1)2{\color{orange}{g : x \longmapsto (x-1)^2}} est bien la réciproque de f:x1+x{\color{blue}{f : x \longmapsto 1 + \sqrt{x}}} qui est une bijection. Graphiquement on a une symétrie de ff et gg par rapport à la première bissectrice h:xxh : x \longmapsto x :

Donc, on a :
dxdt=ddt((t1)2)=2(t1)dx=2(t1)dt\dfrac{dx}{dt} = \dfrac{d}{dt}\left( (t-1)^2 \right) = 2(t-1) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, dx = 2(t-1) \, dt
Lorsque x=1x = 1 on constate que t=1+1=1+1=2t = 1 + \sqrt{1} = 1+1 =2, puis lorsque x=4x = 4 on constate que t=1+4=1+2=3t = 1 + \sqrt{4} = 1+2 =3.
Dans ce cas, l'intégrale I\mathcal{I} cherchée devient :
I=1411+xdx=231t2(t1)dt\mathcal{I} = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx = \int_2^3 \dfrac{1}{t} \, 2(t-1) \, dt
Ce qui nous donne :
I=223t1tdt=223(tt1t)dt=223(11t)dt=2(231dt231tdt)\mathcal{I} = 2 \int_2^3 \dfrac{t-1}{t} \, dt = 2 \int_2^3 \left( \dfrac{t}{t} - \dfrac{1}{t} \right) \, dt = 2 \int_2^3 \left( 1 - \dfrac{1}{t} \right) \, dt = 2 \left( \int_2^3 1 \, dt - \int_2^3 \dfrac{1}{t} \, dt\right)
Donc :
I=2([t]23[ln(t)]23)=2((32)(ln(3)ln(2)))=2(1+ln(2)ln(3))\mathcal{I} = 2 \left( \left[ t \right]_2^3 - \left[ \ln(t) \right]_2^3 \right) = 2 \left( \left( 3 - 2 \right) - \left( \ln(3) - \ln(2) \right) \right) = 2 \left( 1 + \ln(2) - \ln(3) \right)
Finalement :
I=2(1+ln(23))u.a.1,189u.a.\mathcal{I} = 2 \left( 1 + \ln\left(\dfrac{2}{3}\right) \right) \,\, u.a. \simeq 1,189 \,\, u.a.
On rappelle que u.a.u.a. signifie uunité d'aaire et fait référence à l'interprétation géométrique de l'intégrale (qui est égale à la valeur numérique de la surface entre la courbe de la fonction intégrée, l'axe des abscisses et les deux axes verticaux correspondants aux deux bornes de l'intégrale). Graphiquement, on obtient :

Formule de Taylor avec reste intégral.

Définition

Soit nn un nombre entier naturel.
Soit ff une fonction de classe Cn+1C^{n+1} sur un intervalle II.
Soient x0x_0 et xx deux éléments de l'intervalle II.
On a la formule suivante :
f(x)=f(x0)+(xx0)f(x0)+(xx0)22!f(x0)++(xx0)nn!f(n)(x0)+xx0(xt)nn!f(n+1)(t)dtf(x) = {\color{red}{ f(x_0) + (x-x_0)f'(x_0) + \dfrac{(x-x_0)^2}{2!}f''(x_0) + \cdots + \dfrac{(x-x_0)^n}{n!}f^{(n)}(x_0)}} + {\color{blue}{ \int_x^{x_0}\dfrac{(x-t)^n}{n!}f^{(n+1)}(t) \, dt}}
Le terme en rouge f(x0)+(xx0)f(x0)+(xx0)22!f(x0)++(xx0)nn!f(n)(x0)=Pn(x){\color{red}{ f(x_0) + (x-x_0)f'(x_0) + \dfrac{(x-x_0)^2}{2!}f''(x_0) + \cdots + \dfrac{(x-x_0)^n}{n!}f^{(n)}(x_0) = P_n(x)}} s'appelle l'approximationdeTaylor{\color{red}{\bf{approximation \,\, de \,\, Taylor}}} à l'ordre nn. Puis le terme en bleu xx0(xt)nn!f(n+1)(t)dt=Rn(x){\color{blue}{ \int_x^{x_0}\dfrac{(x-t)^n}{n!}f^{(n+1)}(t) \, dt = R_n(x)}} s'appelle le resteinteˊgral{\color{blue}{\bf{reste \,\, intégral}}} à l'ordre nn.
Le terme en rouge est celui qui est utilisé par les physiciens pour effectuer un développement limité de ff au voisinage de x0x_0 à l'ordre nn. Le physicien n'utilise pas le reste.

Inégalité de Taylor-Lagrange.

Définition

Soit nn un nombre entier naturel.
Soit ff une fonction de classe Cn+1C^{n+1} sur un intervalle II.
On suppose qu'il existe un nombre réel A>0A > 0 tel que, pour tout élément xx de l'intervalle II, on ait f(n+1)(x)A\left| \, f^{(n+1)}(x) \, \right| \leqslant A. Dans ce cas, on a la majoration suivante du reste intégral :
Rn(x)Axx0n+1(n+1)!\left| \, R_n(x) \, \right| \leqslant A \dfrac{\left| \, x - x_0 \, \right|^{n+1}}{(n+1)!}