Intégration : en route vers le supérieur

Pour bien poursuivre - Exercice 1

30 min
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Calculer les intégrales suivantes :
Question 1

I1=491x(1x)dx\mathcal{I}_1 = \int_{4}^{9} \dfrac{1}{\sqrt{x}(1-\sqrt{x})}\, dx

Correction
On a :
I1=491x(1x)dx=491x1xdx=4922x1xdx=4922x1xdx\mathcal{I}_1 = \int_{4}^{9} \dfrac{1}{\sqrt{x}(1-\sqrt{x})} \, dx = \int_{4}^{9} \dfrac{\dfrac{1}{\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} \, dx = \int_{4}^{9} \dfrac{\dfrac{2}{2\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} \, dx = - \int_{4}^{9} \dfrac{\dfrac{-2}{2\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} \, dx
Soit encore :
I1=24912x1xdx\mathcal{I}_1 = - 2\int_{4}^{9} \dfrac{\dfrac{-1}{2\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} \, dx
Or, si on pose f(x)=1xf(x) = 1-\sqrt{x} alors f(x)=(1x)=1(x)=012x=12xf'(x) = \left( 1-\sqrt{x}\right)' = 1' - \left( \sqrt{x}\right)' = 0 - \dfrac{1}{2\sqrt{x}} = - \dfrac{1}{2\sqrt{x}}. Dans ce cas, on constate que 12x1x=f(x)f(x)\dfrac{\dfrac{-1}{2\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} = \dfrac{f'(x)}{f(x)}. Ceci s'intègre directement en ln(1x)+k\ln(1-\sqrt{x}) + k avec kRk \in \mathbb{R}. On a alors :
I1=24912x1xdx=2[ln(1x)+k]49=2[ln(1x)+k]94=2[ln(14)+kln(19)k]=2[ln(14)ln(19)]\mathcal{I}_1 = - 2\int_{4}^{9} \dfrac{\dfrac{-1}{2\sqrt{x}}}{1-\sqrt{x}} \, dx = -2\left[ \ln(1-\sqrt{x}) +k\right]_{4}^{9} = 2\left[ \ln(1-\sqrt{x}) +k\right]_{9}^{4} = 2 \left[ \ln(1-\sqrt{4}) + k - \ln(1-\sqrt{9}) - k\right] = 2 \left[ \ln(1-\sqrt{4}) - \ln(1-\sqrt{9}) \right]
Ce qui nous donne, en faisant usage des propriétés des logarithmes :
I1=2ln(1419)=2ln(1213)=2ln(12)=2ln(12)=ln(14)=ln(41)\mathcal{I}_1 = 2 \ln \left( \dfrac{1-\sqrt{4}}{1-\sqrt{9}} \right) = 2 \ln \left( \dfrac{1-2}{1-3} \right) = 2 \ln \left( \dfrac{-1}{-2} \right) = 2 \ln \left( \dfrac{1}{2} \right) = \ln \left( \dfrac{1}{4} \right) = \ln \left( 4^{-1} \right)
Finalement, on obtient :
I1=ln(4)u.a.\mathcal{I}_1 = - \ln(4) \,\, u.a.
Question 2

I2=191x+xdx\mathcal{I}_2 = \int_{1}^{9} \dfrac{1}{x+\sqrt{x}}\, dx

Correction
On a :
I2=191x+xdx=191x(x+1)dx=191xx+1dx=1922xx+1dx=21912xx+1dx\mathcal{I}_2 = \int_{1}^{9} \dfrac{1}{x+\sqrt{x}} \, dx = \int_{1}^{9} \dfrac{1}{\sqrt{x}\left(\sqrt{x}+1\right)} \, dx = \int_{1}^{9} \dfrac{\dfrac{1}{\sqrt{x}}}{\sqrt{x}+1} \, dx = \int_{1}^{9} \dfrac{\dfrac{2}{2\sqrt{x}}}{\sqrt{x}+1} \, dx = 2\int_{1}^{9} \dfrac{\dfrac{1}{2\sqrt{x}}}{\sqrt{x}+1} \, dx
Si on pose f(x)=x+1f(x) = \sqrt{x}+1 alors f(x)=(x+1)=(x)+1=12x+0=12xf'(x) = \left( \sqrt{x}+1 \right)' = \left( \sqrt{x}\right)' + 1' = \dfrac{1}{2\sqrt{x}} + 0 = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}. Dans ce cas, on obtient la forme suivante (kR)(k \in \mathbb{R}) :
I2=219f(x)f(x)dx=2[ln(f(x))+k]19=2[ln(x+1)+k]19=2×(ln(9+1)+kln(1+1)k)==2×(ln(3+1)ln(1+1))=2×(ln(4)ln(2))\mathcal{I}_2 = 2\int_{1}^{9} \dfrac{f'(x)}{f(x)} \, dx = 2 \left[ \ln\left( f(x) \right) + k\right]_{1}^{9} = 2 \left[ \ln\left( \sqrt{x} + 1 \right) + k \right]_{1}^{9} = 2 \times \left( \ln\left( \sqrt{9} + 1 \right) + k - \ln\left( \sqrt{1} + 1 \right) - k\right) = = 2 \times \left( \ln\left( 3 + 1 \right) - \ln\left( 1 + 1 \right) \right) = 2 \times \left( \ln\left( 4 \right) - \ln\left( 2 \right) \right)
En utilisant les propriétés algébriques usuelles associées aux logarithmes, on obtient :
I2=2×(ln(42))=2×ln(2)=ln(22)=ln(4)\mathcal{I}_2 = 2 \times \left( \ln\left( \dfrac{4}{2} \right) \right) = 2 \times \ln(2) = \ln\left( 2^2 \right) = \ln(4)
Finalement :
I2=ln(4)u.a.\mathcal{I}_2 = \ln(4) \,\, u.a.
Question 3

I3=02ex1ex+1dx\mathcal{I}_3 = \int_{0}^{2} \dfrac{e^x-1}{e^x+1} \, dx

Correction
Soit xx une quantité réelle. On sait que 1=e0=exx=ex×ex1 = e^0 = e^{x-x} = e^x \times e^{-x}. Mais également que ex=ex2+x2=ex2ex2e^x = e^{\frac{x}{2}+\frac{x}{2}} = e^{\frac{x}{2}}e^{\frac{x}{2}}. On a alors :
I3=02ex1ex+1dx=02ex2ex2ex2ex2ex2ex2+ex2ex2dx=02ex2ex2ex2+ex2dx\mathcal{I}_3 = \int_{0}^{2} \dfrac{e^x-1}{e^x+1} \, dx = \int_{0}^{2} \dfrac{e^{\frac{x}{2}}e^{\frac{x}{2}}-e^{\frac{x}{2}}e^{-\frac{x}{2}}}{e^{\frac{x}{2}}e^{\frac{x}{2}}+e^{\frac{x}{2}}e^{-\frac{x}{2}}} \, dx =\int_{0}^{2} \dfrac{e^{\frac{x}{2}}-e^{-\frac{x}{2}}}{e^{\frac{x}{2}}+e^{-\frac{x}{2}}} \, dx
On pose f(x)=ex2+ex2f(x) = e^{\frac{x}{2}}+e^{-\frac{x}{2}} ce qui implique que f(x)=12ex212ex2f'(x) = \frac{1}{2}e^{\frac{x}{2}}-\frac{1}{2}e^{-\frac{x}{2}}. Ainsi une forme f(x)f(x)\dfrac{f'(x)}{f(x)} apparait, et s'intègre aisément en ln(f(x))+k(kR)\ln \left( f(x) \right) + k \,\, (k \in \mathbb{R}). Nous poserons k=0k = 0 dans la suite, ce qui ne change rien pour l'évaluation d'une intégrale. Ce qui nous donne donc :
I3=20212ex212ex2ex2+ex2dx=2[ln(ex2+ex2)]02=2ln(e22+e22e02+e02)\mathcal{I}_3 = 2\int_{0}^{2} \dfrac{\frac{1}{2}e^{\frac{x}{2}}-\frac{1}{2}e^{-\frac{x}{2}}}{e^{\frac{x}{2}}+e^{-\frac{x}{2}}} \, dx = 2 \left[ \ln \left( e^{\frac{x}{2}}+e^{-\frac{x}{2}} \right) \right]_{0}^{2} = 2 \ln \left( \dfrac{ e^{\frac{2}{2}}+e^{-\frac{2}{2}} }{ e^{\frac{0}{2}}+e^{-\frac{0}{2}} }\right)
Soit encore :
I3=2ln(e1+e11+1)=2ln(e+1e2)=2ln(e2e+1e2)=2ln(e2+12e)\mathcal{I}_3 = 2 \ln \left( \dfrac{ e^{1}+e^{-1} }{ 1+1 }\right) = 2 \ln \left( \dfrac{ e+\dfrac{1}{e} }{2 }\right) = 2 \ln \left( \dfrac{ \dfrac{e^2}{e} +\dfrac{1}{e} }{2 }\right) = 2 \ln \left( \dfrac{ e^2 +1 }{2e}\right)
Finalement, on obtient :
I3=ln((e2+1)24e2)u.a.\mathcal{I}_3 =\ln \left( \dfrac{ (e^2 +1)^2 }{4e^2}\right) \,\, u.a.
Question 4

I4=0211xdx\mathcal{I}_4 = \int_{0}^{2} \dfrac{1}{1-\sqrt{x}} \, dx

Correction
Posons f:x[0;2]f(x)=11xf : x \in \left[0\,;\,2 \right] \longrightarrow f(x) = \dfrac{1}{1-\sqrt{x}}. Cette fonction ff admet une valeur interdite en 11, elle y est donc discontinue.
D'autre part, on a les deux limites suivantes :
limx1f(x)=+\lim_{x \longrightarrow 1^-} f(x) = +\infty et limx1+f(x)=\lim_{x \longrightarrow 1^+} f(x) = -\infty
Ainsi l'intégrale I4\mathcal{I}_4, qui représente l'aire algébrique associée à ff sur l'intervalle [0;2]\left[0\,;\,2 \right], prend une valeur infinie, et non une valeur finie réelle. On dit qu'elle diverge.
Graphiquement, on observe parfaitement bien cela :