Cours sur les primitives (IPP, changement de variables, Taylor Lagrange avec reste intégral)
Primitives d'une fonction continue.
Définition
Soit f une fonction définie sur un intervalle I. Une fonction F, définie sur un intervalle I, est une primitive de f si elle est dérivable sur I et si : ∀x∈I,F′(x)=f(x)
Théorèmes
Théorème 1 Deux primitives de f diffèrent d'une constante. C'est-à-dire que si F est une primitive de f sur un intervalle I alors toutes les primitives de f sur I sont de la forme x⟼F(x)+C, avec C∈R.
Théorème 2 Si f est une fonction continue sur un intervalle I contenant a, alors la fonction F définie par F(x)=∫axf(t)dt est une primitive de f. C'est d'ailleurs l′unique primitive qui s'annule en x=a. On note par ∫f(t)dt ou ∫f une primitive quelconque de f.
Théorème 3 Pour toute primitive F de f sur un intervalle I contenant a et x, on a : ∫axf(t)dt=[F(t)]ax=F(x)−F(a) Le calcul d'intégrales de fonctions continues se ramène don à la recherche de primitives.
Théorème 4 Pour toute fonction f de classe C1 sur un intervalle I contenant a et x, on a : f(x)−f(a)=∫axf′(t)dt
Méthodes de calcul.
Linéarité
Théorème 5 Si F et G sont des primitives respectives de f et g sur un intervalle I et k est un nombre réel, alors F+G est la primitive de f+G et kF est la primitive de kf sur ce même intervalle I. Retenons les relations trigonométriques utiles à cet usage . Ces relations se retrouvent à l'aide de la linérisation. ⋆cos2(x)=21(1+cos(2x)) ⋆⋆sin2(x)=21(1−cos(2x)) ⋆⋆⋆cos3(x)=41(3cos(x)+cos(3x)) ⋆⋆⋆⋆sin3(x)=41(3sin(x)−sin(3x))
Exemple : Déterminons les primitives de x⟼sin4(x). On a : sin4(x)=sin2(x)×sin2(x)=21(1−cos(2x))×21(1−cos(2x))=41(1−cos(2x))2 Donc : sin4(x)=41(1−2cos(2x)+cos2(2x))=41(1−2cos(2x)+21(1+cos(4x))) D'où : sin4(x)=41−21cos(2x)+81+81cos(4x)=83−21cos(2x)+81cos(4x) Ainsi, on en déduit que : ∫sin4(x)dx=∫(83−21cos(2x)+81cos(4x))dx=83∫1dx−21∫cos(2x)dx+81∫cos(4x)dx Ce qui nous donne, avec K∈R : ∫sin4(x)dx=83x−21×21sin(2x)+81×41sin(4x)+K Finalement : ∫sin4(x)dx=83x−41sin(2x)+321sin(4x)+K
Intégration par parties.
Théorème 6 Soit u et v deux fonctions de classe C1 sur un intervalle I, et a et b deux éléments réels de I tels que a<b. On a alors : ∫abu′(t)×v(t)dt=[u(t)×v(t)]ab−∫abu(t)×v′(t)dt On écrit également : ∫u′(t)×v(t)dt=u(t)×v(t)−∫u(t)×v′(t)dt ▼Casclassiquesd′utilisation: On note par P est un polynôme, α est un nombre réel non nul et β est un nombre réel quelconque. On a : ⋆ Pour ∫abP(t)×sin(αt+β)dt on pose v(t)=P(t) et u′(t)=sin(αt+β). ⋆⋆ Pour ∫abP(t)×cos(αt+β)dt on pose v(t)=P(t) et u′(t)=cos(αt+β). ⋆⋆⋆ Pour ∫abP(t)×eαt+βdt on pose v(t)=P(t) et u′(t)=eαt+β. ⋆⋆⋆⋆ Pour ∫abP(t)×ln(t)dt on pose v(t)=ln(t) et u′(t)=P(t). ⋆⋆⋆⋆⋆ Pour ∫abeαt×cos(βt)dt on effectue deux intégrations par parties en posant à chaque fois v(t)=eαt afin de faire apparaître cette même intégrale. ⋆⋆⋆⋆⋆⋆ Pour ∫abeαt×sin(βt)dt on effectue deux intégrations par parties en posant à chaque fois v(t)=eαt afin de faire apparaître cette même intégrale. Il est également possible d'écrire, avec i2=−1, que : ∫abeαt×cos(βt)dt=ℜeˊ(∫abe(α+iβ)tdt)=ℜeˊ([α+iβe(α+iβ)t]ab) et ∫abeαt×sin(βt)dt=ℑm(∫abe(α+iβ)tdt)=ℑm([α+iβe(α+iβ)t]ab) Ceci repose sur le fait que : ∫abℜeˊ(f(t))dt=ℜeˊ(∫abf(t)dt) et ∫abℑm(f(t))dt=ℑm(∫abf(t)dt)
Exemple : Déterminons les primitives de x⟼xsin(2x+3) sur R. On va dériver l'expression x et intégrer l'expression sin(2x+3) pour obtenir −21cos(2x+3). On a alors : ∫xsin(2x+3)=x×(−21cos(2x+3))−∫(1×(−21cos(2x+3)))dx Soit : ∫xsin(2x+3)=−2xcos(2x+3)+21∫cos(2x+3)dx Soit encore : ∫xsin(2x+3)=−2xcos(2x+3)+21×21sin(2x+3)+K(K∈R) Finalement : ∫xsin(2x+3)=−2xcos(2x+3)+41sin(2x+3)+K(K∈R)
Intégration par changement de variable
Définition : Soit u une fonction de classe C1 sur l'intervalle [α;β] inclus dans l'intervalle [a;b] et f une fonction continue sur cet intervalle "plus large" [a;b]. Dans ce cas : ∫αβf(u(t))u′(t)dt=∫u(α)u(β)f(x)dx Si u est une fonction bijective, alors u admet une fonction réciproque notée Ru. Et on a alors : ∫abf(x)dx=∫Ru(a)Ru(a)f(u(t))u′(t)dt Car en posant x=u(t) on a alors dx=u′(t)dt. Par exemple déterminons la primitive de x⟼sin4(x)cos(x). On recherche donc : ∫sin4(x)cos(x)dx On pose u=sin(x) ce qui implique que : u′=dxdu=cos(x) Ce qui nous permet d'écrire que : du=cos(x)dx On a alors : ∫sin4(x)cos(x)dx=∫u4du=51u5+Kavec:K∈R Finalement : ∫sin4(x)cos(x)dx=51sin5(x)+K Dans le cas d'une intégrale, nous allons illuster la méthode. En effet, déterminons la valeur numérique de l'intégrale I suivante : I=∫141+x1dx Posons t=1+x. Ceci nous donne x=(t−1)2. On vérifie bien que, sur l'intervalle d'intégration [1;4], la fonction g:x⟼(x−1)2 est bien la réciproque de f:x⟼1+x qui est une bijection. Graphiquement on a une symétrie de f et g par rapport à la première bissectrice h:x⟼x :
Donc, on a : dtdx=dtd((t−1)2)=2(t−1)⟺dx=2(t−1)dt Lorsque x=1 on constate que t=1+1=1+1=2, puis lorsque x=4 on constate que t=1+4=1+2=3. Dans ce cas, l'intégrale I cherchée devient : I=∫141+x1dx=∫23t12(t−1)dt Ce qui nous donne : I=2∫23tt−1dt=2∫23(tt−t1)dt=2∫23(1−t1)dt=2(∫231dt−∫23t1dt) Donc : I=2([t]23−[ln(t)]23)=2((3−2)−(ln(3)−ln(2)))=2(1+ln(2)−ln(3)) Finalement : I=2(1+ln(32))u.a.≃1,189u.a. On rappelle que u.a. signifie unité d'aire 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 n un nombre entier naturel. Soit f une fonction de classe Cn+1 sur un intervalle I. Soient x0 et x deux éléments de l'intervalle I. On a la formule suivante : f(x)=f(x0)+(x−x0)f′(x0)+2!(x−x0)2f′′(x0)+⋯+n!(x−x0)nf(n)(x0)+∫xx0n!(x−t)nf(n+1)(t)dt Le terme en rouge f(x0)+(x−x0)f′(x0)+2!(x−x0)2f′′(x0)+⋯+n!(x−x0)nf(n)(x0)=Pn(x) s'appelle l'approximationdeTaylor à l'ordre n. Puis le terme en bleu ∫xx0n!(x−t)nf(n+1)(t)dt=Rn(x) s'appelle le resteinteˊgral à l'ordre n. Le terme en rouge est celui qui est utilisé par les physiciens pour effectuer un développement limité de f au voisinage de x0 à l'ordre n. Le physicien n'utilise pas le reste.
Inégalité de Taylor-Lagrange.
Définition
Soit n un nombre entier naturel. Soit f une fonction de classe Cn+1 sur un intervalle I. On suppose qu'il existe un nombre réel A>0 tel que, pour tout élément x de l'intervalle I, on ait ∣∣f(n+1)(x)∣∣⩽A. Dans ce cas, on a la majoration suivante du reste intégral : ∣Rn(x)∣⩽A(n+1)!∣x−x0∣n+1