Primitives

Méthodes comparées - Exercice 1

40 min
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Le calcul d'une intégrale par deux méthodes différentes.
On note par ff la fonction ff numérique continue suivante :
f:{[1;1]Rxcos(x)ln(cos(x))f : \left\lbrace \begin{array}{ccc} [-1 \,;\,1] & \longrightarrow & \mathbb{R} \\ & & \\ x & \longmapsto & \cos(x) \ln\left( \cos(x) \right) \\ \end{array} \right.
On note par II l'intégrale suivante :
I=0π4f(x)dxI =\int_0^{\frac{\pi}{4}} f(x) \, dx
Question 1

En utilisant une intégration par parties, déterminer la valeur numérique de l'intégrale II.

Correction

On cherche la quantité II suivante :
I=0π4f(x)dx=0π4cos(x)ln(cos(x))dxI = \int_0^{\frac{\pi}{4}} f(x) \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \cos(x) \ln\left( \cos(x) \right) \, dx
On va alors primitiver le terme cos(x)\cos(x) pour obtenir sin(x)\sin(x) et dériver ln(cos(x))\ln\left( \cos(x) \right) pour obtenir (cos(x))cos(x)=sin(x)cos(x)\dfrac{(\cos(x))'}{\cos(x)} = \dfrac{-\sin(x)}{\cos(x)}. On a alors :
I=[sin(x)×ln(cos(x))]0π40π4sin(x)×sin(x)cos(x)dxI = \left[ \sin(x) \times \ln\left( \cos(x) \right) \right]_0^{\frac{\pi}{4}} - \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sin(x) \times \dfrac{-\sin(x)}{\cos(x)} \, dx
Soit :
I=[sin(x)ln(cos(x))]0π4+0π4sin2(x)cos(x)dxI = \left[ \sin(x) \ln\left( \cos(x) \right) \right]_0^{\frac{\pi}{4}} + \int_0^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{\sin^2(x)}{\cos(x)} \, dx
Posons J=0π4sin2(x)cos(x)dxJ = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{\sin^2(x)}{\cos(x)} \, dx. On a alors :
J=0π4sin2(x)cos(x)dx=0π4sin2(x)cos2(x)cos(x)dx=0π4sin2(x)1sin2(x)cos(x)dxJ = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{\sin^2(x)}{\cos(x)} \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{\sin^2(x)}{\cos^2(x)} \, \cos(x) \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{\sin^2(x)}{1- \sin^2(x)} \, \cos(x) \, dx
Posons u=sin(x)u = \sin(x), de fait dudx=ddx(sin(x))=cos(x)\dfrac{du}{dx} = \dfrac{d}{dx} \big( \sin(x) \big) = \cos(x) et donc du=cos(x)dxdu = \, \cos(x) \, dx.
Lorsque x=0x= 0 on en déduit que u=sin(0)=0u = \sin(0) = 0, puis x=π4x= \dfrac{\pi}{4} on en déduit que u=sin(π4)=22u = \sin\left(\dfrac{\pi}{4}\right) = \dfrac{\sqrt{2}}{2}. Ainsi, on obtient :
J=022u21u2du=02211+u21u2du=0221(1u2)1u2du=022(11u21u21u2)duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{u^2}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1- 1 + u^2}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1- (1 - u^2)}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( \dfrac{1}{1- u^2} - \dfrac{1 - u^2}{1- u^2} \right) \, du
D'où :
J=02211u2du0221du=0221(1u)(1+u)du0221duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{1- u^2} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{(1- u)(1+u)} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du
La décomposition en élément simple de 1(1u)(1+u)\dfrac{1}{(1- u)(1+u)} nous permet d'écrire :
J=022(12(u+1)12(u1))du0221du=120221u+1du120221u1du0221duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( \dfrac{1}{2(u+1)} - \dfrac{1}{2(u-1)} \right) \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du = \dfrac{1}{2} \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{u+1} \, du - \dfrac{1}{2} \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{u-1} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du
Ce qui nous donne :
J=12[ln(u+1)]02212[ln(u1)]022[u]022J = \dfrac{1}{2} \left[ \ln (|u+1|) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} - \dfrac{1}{2} \left[ \ln (|u-1|) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} - \left[ u \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}}
Donc :
J=12(ln(22+1)ln(0+1))12(ln(221)ln(01))(220)J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \left| \dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 \right| \right) - \ln \left( \left| 0 + 1 \right| \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \left| \dfrac{\sqrt{2}}{2} - 1 \right| \right) - \ln \left( \left| 0 - 1 \right| \right) \right) - \left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} - 0 \right)
Comme 22+1>0\dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 > 0 et 221<0\dfrac{\sqrt{2}}{2} - 1 < 0, on a alors :
J=12(ln(22+1)ln(1))12(ln(122)ln(1))22J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 \right) - \ln \left( \left| 1 \right| \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( 1 -\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( \left| - 1 \right| \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Soit encore :
J=12(ln(2+22)ln(1))12(ln(222)ln(1))22J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( 1 \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( 1 \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Ce qui nous donne, avec ln(1)=0\ln \left( 1 \right) = 0 :
J=12ln(2+22)12ln(222)22=12(ln(2+22)ln(222))22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Soit encore :
J=12ln(2+22222)22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\dfrac{2+\sqrt{2}}{2}}{\dfrac{2-\sqrt{2}}{2}} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
D'où :
J=12ln(2+222)22=12ln(2(2+1)2(21))22=12ln(2+121)22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}(\sqrt{2}+1)}{\sqrt{2}(\sqrt{2}-1)} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Puis, on a également :
[sin(x)ln(cos(x))]0π4=sin(π4)ln(cos(π4))sin(0)ln(cos(0))=22ln(22)0=22ln(12)\left[ \sin(x) \ln\left( \cos(x) \right) \right]_0^{\frac{\pi}{4}} = \sin\left( \dfrac{\pi}{4} \right) \ln\left( \cos \left( \dfrac{\pi}{4} \right) \right) - \sin(0) \ln\left( \cos(0) \right) = \dfrac{\sqrt{2}}{2} \ln\left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} \right) - 0 = \dfrac{\sqrt{2}}{2} \ln\left( \dfrac{1}{\sqrt{2}} \right)
D'où :
[sin(x)ln(cos(x))]0π4=22ln(2)=22ln(212)=1222ln(2)=24ln(2)\left[ \sin(x) \ln\left( \cos(x) \right) \right]_0^{\frac{\pi}{4}} = - \dfrac{\sqrt{2}}{2} \ln\left( \sqrt{2} \right) = - \dfrac{\sqrt{2}}{2} \ln\left( 2^{\frac{1}{2}} \right) = - \dfrac{1}{2}\dfrac{\sqrt{2}}{2} \ln\left( 2 \right) = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \ln\left( 2 \right)
Ainsi, on trouve que :
I=24ln(2)+12ln(2+121)22=24ln(2)+12ln(2+121)224I = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \ln\left( 2 \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \ln\left( 2 \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{2\sqrt{2}}{4}
Finalement :
I=24(2+ln(2))+12ln(2+121)u.a.0,07u.a.I = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \left( 2 +\ln\left( 2 \right) \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) \,\, u.a. \simeq - 0,07 \,\, u.a.
Graphiquement cela correspond à la situation géométrique suivante :
Question 2

En utilisant un changement de variable adéquat, déterminer la valeur numérique de l'intégrale II.

Correction
On cherche à déterminer l'intégrale suivante :
I=0π4f(x)dx=0π4cos(x)ln(cos(x))dx=0π4ln(cos(x))cos(x)dxI = \int_0^{\frac{\pi}{4}} f(x) \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \cos(x) \ln\left( \cos(x) \right) \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{4}} \ln\left( \cos(x) \right) \, \cos(x) \, dx
La présence du terme cos(x)dx=dsin(x)\cos(x) \, dx = d \sin(x) nous invite à effectuer un changement de variable. Posons alors t=sin(x)t = \sin(x). On a alors cos(x)dx=dt\cos(x) \, dx = d t. Puis, lorsque x=0x = 0 on a t=sin(0)=0t = \sin(0) = 0, et lorsque x=π4x = \dfrac{\pi}{4} on a t=sin(π4)=22t = \sin\left(\dfrac{\pi}{4}\right) = \dfrac{\sqrt{2}}{2}. Enfin, on a également :
cos(x)=cos2(x)=1sin2(x)=(1sin2(x))12=(1t2)12\cos(x) = \sqrt{\cos^2(x)} = \sqrt{1-\sin^2(x)} = \big( 1-\sin^2(x) \big)^{\frac{1}{2}} = \big( 1-t^2 \big)^{\frac{1}{2}}
Donc :
ln(cos(x))=ln((1t2)12)=12ln(1t2)\ln\left( \cos(x) \right) = \ln\left( \big( 1-t^2 \big)^{\frac{1}{2}} \right) = \dfrac{1}{2} \ln\left( 1-t^2 \right)
On a alors :
I=0π4f(x)dx=02212ln(1t2)dt=022(1×12ln(1t2))dtI = \int_0^{\frac{\pi}{4}} f(x) \, dx = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \, dt = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( 1 \times \dfrac{1}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \right) \, dt
Selon la forme indiquée, une intégration par parties semble une méthode appropriée. In va alors primitiver 11 en tt et dériver l'expression 12ln(1t2)\dfrac{1}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) en 12(1t2)1t2=122t1t2=t1t2\dfrac{1}{2} \dfrac{\left( 1-t^2 \right)'}{1-t^2} = \dfrac{1}{2} \dfrac{-2t}{1-t^2} = \dfrac{-t}{1-t^2}. Ainsi, on obtient :
I=[t×12ln(1t2)]022022(t×t1t2)dt=[t2ln(1t2)]022+022t21t2dtI = \left[ t \times \dfrac{1}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( t \times \dfrac{-t}{1-t^2} \right) \, dt = \left[ \dfrac{t}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} + \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{t^2}{1-t^2} \, dt
Avec :
[t2ln(1t2)]022=24ln(1(22)2)=24ln(124)=24ln(112)=24ln(12)\left[ \dfrac{t}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} = \frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left( 1-\left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)^2 \right) = \frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left( 1 - \dfrac{2}{4} \right) = \frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left( 1 - \dfrac{1}{2} \right) = \frac{\sqrt{2}}{4}\ln\left( \dfrac{1}{2} \right)
Soit :
[t2ln(1t2)]022=24ln(2)\left[ \dfrac{t}{2} \ln\left( 1-t^2 \right) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} = -\dfrac{\sqrt{2}}{4}\ln\left( 2\right)
Puis, on a (en reprennant la question précédente) :
022t21t2dt=022u21u2du=J\int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{t^2}{1- t^2} \, dt = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{u^2}{1- u^2} \, du = J
Ce qui nous donne :
J=022u21u2du=02211+u21u2du=0221(1u2)1u2du=022(11u21u21u2)duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{u^2}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1- 1 + u^2}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1- (1 - u^2)}{1- u^2} \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( \dfrac{1}{1- u^2} - \dfrac{1 - u^2}{1- u^2} \right) \, du
D'où :
J=02211u2du0221du=0221(1u)(1+u)du0221duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{1- u^2} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{(1- u)(1+u)} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du
La décomposition en élément simple de 1(1u)(1+u)\dfrac{1}{(1- u)(1+u)} nous permet d'écrire :
J=022(12(u+1)12(u1))du0221du=120221u+1du120221u1du0221duJ = \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \left( \dfrac{1}{2(u+1)} - \dfrac{1}{2(u-1)} \right) \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du = \dfrac{1}{2} \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{u+1} \, du - \dfrac{1}{2} \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} \dfrac{1}{u-1} \, du - \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} 1 \, du
Ce qui nous donne :
J=12[ln(u+1)]02212[ln(u1)]022[u]022J = \dfrac{1}{2} \left[ \ln (|u+1|) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} - \dfrac{1}{2} \left[ \ln (|u-1|) \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} - \left[ u \right]_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}}
Donc :
J=12(ln(22+1)ln(0+1))12(ln(221)ln(01))(220)J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \left| \dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 \right| \right) - \ln \left( \left| 0 + 1 \right| \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \left| \dfrac{\sqrt{2}}{2} - 1 \right| \right) - \ln \left( \left| 0 - 1 \right| \right) \right) - \left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} - 0 \right)
Comme 22+1>0\dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 > 0 et 221<0\dfrac{\sqrt{2}}{2} - 1 < 0, on a alors :
J=12(ln(22+1)ln(1))12(ln(122)ln(1))22J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}}{2} + 1 \right) - \ln \left( \left| 1 \right| \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( 1 -\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( \left| - 1 \right| \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Soit encore :
J=12(ln(2+22)ln(1))12(ln(222)ln(1))22J = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( 1 \right) \right) - \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( 1 \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Ce qui nous donne, avec ln(1)=0\ln \left( 1 \right) = 0 :
J=12ln(2+22)12ln(222)22=12(ln(2+22)ln(222))22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \left( \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2} \right) - \ln \left( \dfrac{2-\sqrt{2}}{2} \right) \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Soit encore :
J=12ln(2+22222)22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\dfrac{2+\sqrt{2}}{2}}{\dfrac{2-\sqrt{2}}{2}} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
D'où :
J=12ln(2+222)22=12ln(2(2+1)2(21))22=12ln(2+121)22J = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2-\sqrt{2}} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}(\sqrt{2}+1)}{\sqrt{2}(\sqrt{2}-1)} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2}
Ainsi :
I=24ln(2)+12ln(2+121)22=24ln(2)+12ln(2+121)224I = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \ln\left( 2 \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{\sqrt{2}}{2} = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \ln\left( 2 \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) - \dfrac{2\sqrt{2}}{4}
Finalement :
I=24(2+ln(2))+12ln(2+121)u.a.0,07u.a.I = - \dfrac{\sqrt{2}}{4} \left( 2 +\ln\left( 2 \right) \right) + \dfrac{1}{2} \ln \left( \dfrac{\sqrt{2}+1}{\sqrt{2}-1} \right) \,\, u.a. \simeq - 0,07 \,\, u.a.
Graphiquement cela correspond à la situation géométrique suivante :
On retrouve bien le même résultat que lors de la question précédente.