Le calcul d'une intégrale par deux méthodes différentes. On note par f la fonction f numérique continue suivante : f:⎩⎨⎧[−1;1]x⟶⟼Rcos(x)ln(cos(x)) On note par I l'intégrale suivante : I=∫04πf(x)dx
Question 1
En utilisant une intégration par parties, déterminer la valeur numérique de l'intégrale I.
Correction
On cherche la quantité I suivante : I=∫04πf(x)dx=∫04πcos(x)ln(cos(x))dx On va alors primitiver le terme cos(x) pour obtenir sin(x) et dériver ln(cos(x)) pour obtenir cos(x)(cos(x))′=cos(x)−sin(x). On a alors : I=[sin(x)×ln(cos(x))]04π−∫04πsin(x)×cos(x)−sin(x)dx Soit : I=[sin(x)ln(cos(x))]04π+∫04πcos(x)sin2(x)dx Posons J=∫04πcos(x)sin2(x)dx. On a alors : J=∫04πcos(x)sin2(x)dx=∫04πcos2(x)sin2(x)cos(x)dx=∫04π1−sin2(x)sin2(x)cos(x)dx Posons u=sin(x), de fait dxdu=dxd(sin(x))=cos(x) et donc du=cos(x)dx. Lorsque x=0 on en déduit que u=sin(0)=0, puis x=4π on en déduit que u=sin(4π)=22. Ainsi, on obtient : J=∫0221−u2u2du=∫0221−u21−1+u2du=∫0221−u21−(1−u2)du=∫022(1−u21−1−u21−u2)du D'où : J=∫0221−u21du−∫0221du=∫022(1−u)(1+u)1du−∫0221du La décomposition en élément simple de (1−u)(1+u)1 nous permet d'écrire : J=∫022(2(u+1)1−2(u−1)1)du−∫0221du=21∫022u+11du−21∫022u−11du−∫0221du Ce qui nous donne : J=21[ln(∣u+1∣)]022−21[ln(∣u−1∣)]022−[u]022 Donc : J=21(ln(∣∣22+1∣∣)−ln(∣0+1∣))−21(ln(∣∣22−1∣∣)−ln(∣0−1∣))−(22−0) Comme 22+1>0 et 22−1<0, on a alors : J=21(ln(22+1)−ln(∣1∣))−21(ln(1−22)−ln(∣−1∣))−22 Soit encore : J=21(ln(22+2)−ln(1))−21(ln(22−2)−ln(1))−22 Ce qui nous donne, avec ln(1)=0 : J=21ln(22+2)−21ln(22−2)−22=21(ln(22+2)−ln(22−2))−22 Soit encore : J=21ln⎝⎛22−222+2⎠⎞−22 D'où : J=21ln(2−22+2)−22=21ln(2(2−1)2(2+1))−22=21ln(2−12+1)−22 Puis, on a également : [sin(x)ln(cos(x))]04π=sin(4π)ln(cos(4π))−sin(0)ln(cos(0))=22ln(22)−0=22ln(21) D'où : [sin(x)ln(cos(x))]04π=−22ln(2)=−22ln(221)=−2122ln(2)=−42ln(2) Ainsi, on trouve que : I=−42ln(2)+21ln(2−12+1)−22=−42ln(2)+21ln(2−12+1)−422 Finalement : I=−42(2+ln(2))+21ln(2−12+1)u.a.≃−0,07u.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 I.
Correction
On cherche à déterminer l'intégrale suivante : I=∫04πf(x)dx=∫04πcos(x)ln(cos(x))dx=∫04πln(cos(x))cos(x)dx La présence du terme cos(x)dx=dsin(x) nous invite à effectuer un changement de variable. Posons alors t=sin(x). On a alors cos(x)dx=dt. Puis, lorsque x=0 on a t=sin(0)=0, et lorsque x=4π on a t=sin(4π)=22. Enfin, on a également : cos(x)=cos2(x)=1−sin2(x)=(1−sin2(x))21=(1−t2)21 Donc : ln(cos(x))=ln((1−t2)21)=21ln(1−t2) On a alors : I=∫04πf(x)dx=∫02221ln(1−t2)dt=∫022(1×21ln(1−t2))dt Selon la forme indiquée, une intégration par parties semble une méthode appropriée. In va alors primitiver 1 en t et dériver l'expression 21ln(1−t2) en 211−t2(1−t2)′=211−t2−2t=1−t2−t. Ainsi, on obtient : I=[t×21ln(1−t2)]022−∫022(t×1−t2−t)dt=[2tln(1−t2)]022+∫0221−t2t2dt Avec : [2tln(1−t2)]022=42ln⎝⎛1−(22)2⎠⎞=42ln(1−42)=42ln(1−21)=42ln(21) Soit : [2tln(1−t2)]022=−42ln(2) Puis, on a (en reprennant la question précédente) : ∫0221−t2t2dt=∫0221−u2u2du=J Ce qui nous donne : J=∫0221−u2u2du=∫0221−u21−1+u2du=∫0221−u21−(1−u2)du=∫022(1−u21−1−u21−u2)du D'où : J=∫0221−u21du−∫0221du=∫022(1−u)(1+u)1du−∫0221du La décomposition en élément simple de (1−u)(1+u)1 nous permet d'écrire : J=∫022(2(u+1)1−2(u−1)1)du−∫0221du=21∫022u+11du−21∫022u−11du−∫0221du Ce qui nous donne : J=21[ln(∣u+1∣)]022−21[ln(∣u−1∣)]022−[u]022 Donc : J=21(ln(∣∣22+1∣∣)−ln(∣0+1∣))−21(ln(∣∣22−1∣∣)−ln(∣0−1∣))−(22−0) Comme 22+1>0 et 22−1<0, on a alors : J=21(ln(22+1)−ln(∣1∣))−21(ln(1−22)−ln(∣−1∣))−22 Soit encore : J=21(ln(22+2)−ln(1))−21(ln(22−2)−ln(1))−22 Ce qui nous donne, avec ln(1)=0 : J=21ln(22+2)−21ln(22−2)−22=21(ln(22+2)−ln(22−2))−22 Soit encore : J=21ln⎝⎛22−222+2⎠⎞−22 D'où : J=21ln(2−22+2)−22=21ln(2(2−1)2(2+1))−22=21ln(2−12+1)−22 Ainsi : I=−42ln(2)+21ln(2−12+1)−22=−42ln(2)+21ln(2−12+1)−422 Finalement : I=−42(2+ln(2))+21ln(2−12+1)u.a.≃−0,07u.a. Graphiquement cela correspond à la situation géométrique suivante : On retrouve bien le même résultat que lors de la question précédente.