Primitives

Intégration par parties - Exercice 2

10 min
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Question 1

Calculer A=0πcos(x)exdxA=\int _{0}^{\pi}{\cos\left(x\right)e^x} dx

Correction
    Formule d’inteˊgration par parties\red{\text{Formule d'intégration par parties}}
u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont deux fonctions dérivables sur un intervalle II dont leurs dérivées u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II.
Pour tous réels aa et bb de II, nous avons alors :
abu(x)v(x)dx=[u(x)v(x)]ababu(x)v(x)dx\int _{a}^{b}{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{purple}{v'\left(x\right)}}dx =\left[{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}\right]_{a}^{b} -\int _{a}^{b}{\color{red}{u'\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}dx
Pour tout réel xx de I=[0;π]I=\left[0;\pi\right], on pose :
u(x)=cos(x){\color{blue}{u\left(x\right)=\cos\left(x\right)}} \qquad on détermine uu' la deˊriveˊe\blue{\text{la dérivée}} de uu \qquad \qquad \quad u(x)=sin(x){\color{red}{u'\left(x\right)=-\sin\left(x\right)}}
v(x)=ex{\color{purple}{v'\left(x\right)=e^{x}}} \qquad on détermine vv une primitive\blue{\text{une primitive}} de vv' \qquad \qquad v(x)=ex{\color{green}{v\left(x\right)=e^{x}}}
Les fonctions u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont dérivables sur II et les fonctions u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II. Autrement dit, les fonctions uu et vv sont de classe C1C^1 sur I=[0;π]I=\left[0;\pi\right] .
D'après la formule d'intégrations par parties :
A=0πcos(x)exdxA=\int _{0}^{\pi}{\color{blue}{\cos\left(x\right)}}{\color{purple}{e^{x}}} dx
A=[cos(x)ex]0π0π(sin(x))exdxA=\left[{\color{blue}{\cos\left(x\right)}}{\color{green}{e^{x}}} \right]_{0}^{\pi} -\int _{0}^{\pi}{\color{red}{\left(-\sin\left(x\right)\right)}}{\color{green}{e^{x}}} dx
A=[cos(x)ex]0π+1πsin(x) exdxA=\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\int^{\pi }_1{{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^xdx}
Il faut à nouveau effectuer une intégration par parties pour calculer 1πsin(x) exdx\int^{\pi }_1{{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^xdx} .
Pour tout réel xx de I=[0;π]I=\left[0;\pi\right], on pose :
w(x)=sin(x){\color{blue}{w\left(x\right)=\sin\left(x\right)}} \qquad on détermine ww' la deˊriveˊe\blue{\text{la dérivée}} de uu \qquad \qquad \quad w(x)=cos(x){\color{red}{w'\left(x\right)=\cos\left(x\right)}}
z(x)=ex{\color{purple}{z'\left(x\right)=e^{x}}} \qquad on détermine zz une primitive\blue{\text{une primitive}} de zz' \qquad \qquad z(x)=ex{\color{green}{z\left(x\right)=e^{x}}}
Les fonctions w\color{blue}{w} et z\color{green}{z} sont dérivables sur II et les fonctions w\color{red}{w'} et z\color{purple}{z'} sont continues sur II. Autrement dit, les fonctions ww et zz sont de classe C1C^1 sur I=[0;π]I=\left[0;\pi\right] .
D'après la formule d'intégrations par parties :
A=[cos(x)ex]0π+0πsin(x)exdxA=\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\int _{0}^{\pi}{\color{blue}{\sin\left(x\right)}}{\color{purple}{e^{x}}} dx
A=[cos(x)ex]0π+[sin(x)ex]0π0πcos(x)exdxA=\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\left[{\color{blue}{\sin\left(x\right)}}{\color{green}{e^{x}}} \right]_{0}^{\pi} -\int _{0}^{\pi}{\color{red}{\cos\left(x\right)}}{\color{green}{e^{x}}} dx . Ici, on retrouve AA. Ce qui nous permet d'écrire :
A=[cos(x)ex]0π+[sin(x) ex]0πAA=\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\left[{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^x \right]_{0}^{\pi} -A
2A=[cos(x)ex]0π+[sin(x) ex]0π2A=\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\left[{{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^x} \right]_{0}^{\pi}
A=12([cos(x)ex]0π+[sin(x) ex]0π)A=\frac{1}{2}\left(\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\left[{{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^x} \right]_{0}^{\pi}\right)
A=12[cos(x)ex]0π+12[sin(x) ex]0πA=\frac{1}{2}\left[\cos\left(x\right)e^{x} \right]_{0}^{\pi} +\frac{1}{2}\left[{{\mathrm{sin} \left(x\right)\ }e^x} \right]_{0}^{\pi}
A=12(cos(π) eπcos(0) e0)+12(sin(π) eπsin(0) e0)A=\frac{1}{2}\left({\mathrm{cos} \left(\pi \right)\ }e^{\pi }-{\mathrm{cos} \left(0\right)\ }e^0\right)+\frac{1}{2}\left({\mathrm{sin} \left(\pi \right)\ }e^{\pi }-{\mathrm{sin} \left(0\right)\ }e^0\right)
A=12(eπ1)+12(0×eπ0×1)A=\frac{1}{2}\left(-e^{\pi }-1\right)+\frac{1}{2}\left(0\times e^{\pi }-0\times 1\right)
Ainsi :
A=12eπ12A=-{\frac{1}{2}e}^{\pi }-\frac{1}{2}

Question 2

Calculer B=01xarctan(x) dxB=\int^1_0{x{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }dx}

Correction
    Formule d’inteˊgration par parties\red{\text{Formule d'intégration par parties}}
u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont deux fonctions dérivables sur un intervalle II dont leurs dérivées u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II.
Pour tous réels aa et bb de II, nous avons alors :
abu(x)v(x)dx=[u(x)v(x)]ababu(x)v(x)dx\int _{a}^{b}{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{purple}{v'\left(x\right)}}dx =\left[{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}\right]_{a}^{b} -\int _{a}^{b}{\color{red}{u'\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}dx
B=01xarctan(x) dxB=\int^1_0{x{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }dx}
Pour tout réel xx de I=[0;1]I=\left[0;1\right], on pose :
u(x)=arctan(x){\color{blue}{u\left(x\right)=\mathrm{arctan} \left(x\right)}} \qquad on détermine uu' la deˊriveˊe\blue{\text{la dérivée}} de uu \qquad \qquad \quad u(x)=1x2+1{\color{red}{u'\left(x\right)=\frac{1}{x^2+1}}}
v(x)=x{\color{purple}{v'\left(x\right)=x}} \qquad on détermine vv une primitive\blue{\text{une primitive}} de vv' \qquad \qquad v(x)=12x2{\color{green}{v\left(x\right)=\frac{1}{2}x^2}}
Les fonctions u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont dérivables sur II et les fonctions u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II. Autrement dit, les fonctions uu et vv sont de classe C1C^1 sur I=[0;1]I=\left[0;1\right] .
D'après la formule d'intégrations par parties :
B=01arctan(x)×xdxB=\int _{0}^{1}{\color{blue}{\mathrm{arctan} \left(x\right)}}{\color{purple}\times{x}} dx
B=[arctan(x)×12x2]01011x2+1×12x2dxB=\left[{\color{blue}{\mathrm{arctan} \left(x\right)}}\times{\color{green}{\frac{1}{2}x^2}} \right]_{0}^{1} -\int _{0}^{1}{\color{red}{\frac{1}{x^2+1}}}\times{\color{green}{\frac{1}{2}x^2}} dx
B=[12x2arctan(x) ]011201x21+x2dxB={\left[\frac{1}{2}x^2{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0-\frac{1}{2}\int^1_0{\frac{x^2}{1+x^2}dx}
B=[12x2arctan(x) ]011201x2+111+x2dxB={\left[\frac{1}{2}x^2{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0-\frac{1}{2}\int^1_0{\frac{x^2+1-1}{1+x^2}}dx
B=[12x2arctan(x) ]011201x2+11+x2dx120111+x2dxB={\left[\frac{1}{2}x^2{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0-\frac{1}{2}\int^1_0{\frac{x^2+1}{1+x^2}}dx-\frac{1}{2}\int^1_0{\frac{-1}{1+x^2}}dx
B=[12x2arctan(x) ]0112011dx+120111+x2dxB={\left[\frac{1}{2}x^2{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0-\frac{1}{2}\int^1_0{1}dx+\frac{1}{2}\int^1_0{\frac{1}{1+x^2}}dx
B=[12x2arctan(x) ]0112[x]01+12[arctan(x) ]01B={\left[\frac{1}{2}x^2{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0-\frac{1}{2}{\left[x\right]}^1_0+\frac{1}{2}{\left[{\mathrm{arctan} \left(x\right)\ }\right]}^1_0
B=12×1×π4012+12×(π40)B=\frac{1}{2}\times 1\times \frac{\pi }{4}-0-\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\times \left(\frac{\pi }{4}-0\right)
B=π812+π8B=\frac{\pi }{8}-\frac{1}{2}+\frac{\pi }{8}
Ainsi :
B=π412B=\frac{\pi }{4}-\frac{1}{2}
Question 3

C=02(t22t+3)etdtC=\int^2_0{\left(t^2-2t+3\right)e^{-t}dt}

Correction
    Formule d’inteˊgration par parties\red{\text{Formule d'intégration par parties}}
u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont deux fonctions dérivables sur un intervalle II dont leurs dérivées u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II.
Pour tous réels aa et bb de II, nous avons alors :
abu(x)v(x)dx=[u(x)v(x)]ababu(x)v(x)dx\int _{a}^{b}{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{purple}{v'\left(x\right)}}dx =\left[{\color{blue}{u\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}\right]_{a}^{b} -\int _{a}^{b}{\color{red}{u'\left(x\right)}}{\color{green}{v\left(x\right)}}dx
Pour tout réel tt de I=[0;2]I=\left[0;2\right], on pose :
u(t)=t22t+3{\color{blue}{u\left(t\right)=t^2-2t+3}} \qquad on détermine uu' la deˊriveˊe\blue{\text{la dérivée}} de uu \qquad \qquad \quad u(t)=2t2{\color{red}{u'\left(t\right)=2t-2}}
v(t)=et{\color{purple}{v'\left(t\right)=e^{-t}}} \qquad on détermine vv une primitive\blue{\text{une primitive}} de vv' \qquad \qquad v(t)=et{\color{green}{v\left(t\right)=-e^{t}}}
Les fonctions u\color{blue}{u} et v\color{green}{v} sont dérivables sur II et les fonctions u\color{red}{u'} et v\color{purple}{v'} sont continues sur II. Autrement dit, les fonctions uu et vv sont de classe C1C^1 sur I=[0;2]I=\left[0;2\right] .
D'après la formule d'intégrations par parties :
C=02(t22t+3)etdtC=\int _{0}^{2}{\color{blue}{\left(t^2-2t+3\right)}}{\color{purple}{e^{-t}}} dt
C=[(t22t+3)(et)]0202(2t2)×(et)dtC=\left[{\color{blue}{\left(t^2-2t+3\right)}}{\color{green}{\left(-e^{-t}\right)}} \right]_{0}^{2} -\int _{0}^{2}{\color{red}{\left(2t-2\right)}}\times{\color{green}{\left(-e^{-t}\right)}} dt
C=[(t22t+3)et]02+02(2t2)etdtC=\left[-\left(t^2-2t+3\right)e^{-t} \right]_{0}^{2} +\int^{2 }_0{\left(2t-2\right)e^{-t}dt}
Il faut à nouveau effectuer une intégration par parties pour calculer 02(2t2)etdt\int^{2 }_0{\left(2t-2\right)e^{-t}dt} .
Pour tout réel tt de I=[0;2]I=\left[0;2\right], on pose :
w(t)=2t2{\color{blue}{w\left(t\right)=2t-2}} \qquad on détermine ww' la deˊriveˊe\blue{\text{la dérivée}} de uu \qquad \qquad \quad w(t)=2{\color{red}{w'\left(t\right)=2}}
z(t)=et{\color{purple}{z'\left(t\right)=e^{-t}}} \qquad on détermine zz une primitive\blue{\text{une primitive}} de zz' \qquad \qquad z(t)=et{\color{green}{z\left(t\right)=-e^{-t}}}
Les fonctions w\color{blue}{w} et z\color{green}{z} sont dérivables sur II et les fonctions w\color{red}{w'} et z\color{purple}{z'} sont continues sur II. Autrement dit, les fonctions ww et zz sont de classe C1C^1 sur I=[0;2]I=\left[0;2\right] .
D'après la formule d'intégrations par parties :
C=[(t22t+3)et]02+02(2t2)etdtC=\left[-\left(t^2-2t+3\right)e^{-t} \right]_{0}^{2} +\int _{0}^{2}{\color{blue}{\left(2t-2\right)}}{\color{purple}{e^{-t}}} dt
C=[(t22t+3)et]02+[(2t2)×(et)]02022×(et)dtC=\left[-\left(t^2-2t+3\right)e^{-t} \right]_{0}^{2} +\left[{\color{blue}{\left(2t-2\right)}}\times{\color{green}{\left(-e^{-t}\right)}} \right]_{0}^{2} -\int _{0}^{2}{\color{red}{2}}\times{\color{green}{\left(-e^{-t}\right)}} dt
C=[(t22t+3)et]02+[(2t2)et]02+022etdtC={\left[-\left(t^2-2t+3\right)e^{-t}\right]}^2_0+{\left[-\left(2t-2\right)e^{-t}\right]}^2_0+\int^2_0{2}e^{-t}dt
C=[(t22t+3)et]02+[(2t2)et]02+[2et]02C={\left[-\left(t^2-2t+3\right)e^{-t}\right]}^2_0+{\left[-\left(2t-2\right)e^{-t}\right]}^2_0+{\left[-2e^{-t}\right]}^2_0
C=(222×2+3)e2((022×0+3)e0)(2×22)e2((2×02)e0)2e2(2e0)C=-\left(2^2-2\times 2+3\right)e^{-2}-\left(-\left(0^2-2\times 0+3\right)e^{-0}\right)-\left(2\times 2-2\right)e^{-2}-\left(-\left(2\times 0-2\right)e^{-0}\right)-2e^{-2}-\left(-2e^{-0}\right)
C=3e2(3)2e222e2+2C=-3e^{-2}-\left(-3\right)-2e^{-2}-2-2e^{-2}+2
Ainsi :
C=37e2C=3-7e^{-2}