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Intégration : en route vers le supérieur

Vers la Prépa (6) - Exercice 1

40 min
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Dans cet exercice, vous devez intégrer selon la méthode du changement de variable.
Question 1
Calculer les intégrales suivantes :

I1=1411+xdx\mathcal{I}_1 = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx en posant t=1+xt = 1 + \sqrt{x}

Correction
On cherche à calculer l'intégrale I4I_4 suivante :
I1=1411+xdx\mathcal{I}_1 = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx
On pose alors :
t=1+x t1=x x=(t1)2t = 1 + \sqrt{x} \ \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, t - 1 = \sqrt{x} \ \,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\, x = (t-1)^2
On a alors pour les bornes d'intégration :
{x=4x=1{t=1+4=3t=1+1=2\left\lbrace \begin{array}{rcl} x & = & 4 \\ & & \\ x & = & 1 \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rclcl} t & = & 1 + \sqrt{4} & = & 3 \\ & & & & \\ t & = & 1 + \sqrt{1} & = & 2 \\ \end{array} \right.
Puis, la fonction La fonction φ:t(t1)2\varphi : t \longrightarrow (t - 1)^2 est une bijection de [1;+[[1\,;\,+ \infty[ sur R+\mathbb{R}^+. De plus, sur l'intervalle[1;+[[1\,;\,+ \infty[, cette fonction est dérivable, et sa dérivée qui vaut φ(t)=2×(t1)\varphi'(t) = 2 \times (t-1), y est continue. On a alors :
x=(t1)2dxdt=ddt((t1)2)dxdt=2×(t1)dx=2×(t1)dtx = (t-1)^2 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{dx}{dt} = \dfrac{d}{dt}\left( \, (t-1)^2 \, \right) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{dx}{dt} = 2 \times (t-1) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, dx = 2 \times (t-1) \, dt
De fait, on peut écrire que :
I1=1411+xdx=231t×2×(t1)dt=223t1tdt=223(11t)dt\mathcal{I}_1 = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx = \int_2^3 \dfrac{1}{t} \times 2 \times (t-1) \, dt = 2 \int_2^3 \dfrac{t-1}{t} \, dt = 2 \int_2^3 \left( \, 1 - \dfrac{1}{t} \, \right) \, dt
L'intégration est alors directe, et on a :
I1=2×[tln(t)]23\mathcal{I}_1 = 2 \times \left[\, t - \ln(\,|\,t\,|\,) \, \right]_2^3
Soit :
I1=2×(3ln(3)2+ln(2))\mathcal{I}_1 = 2 \times \left(\, 3 - \ln(\,|\,3\,|\,) - 2 + \ln(\,|\,2\,|\,)\, \right)
Comme 33 et 22 sont deux nombre entiers naturels, strictement positifs, on peut écrire que :
I1=2×(3ln(3)2+ln(2))I1=2×(1+ln(2)ln(3))\mathcal{I}_1 = 2 \times \left(\, 3 - \ln(3) - 2 + \ln(2)\, \right) \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I}_1 = 2 \times \left(\, 1 + \ln(2) - \ln(3) \, \right)
Finalement on trouve que :
I1=1411+xdx=2×(1+ln(23))u.a.{\color{red}{\mathcal{I}_1 = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx = 2 \times \left( 1 + \ln\left( \dfrac{2}{3} \right) \right) \,\, u.a.}}
On peut également écrire que :
I1=1411+xdx=ln(4e29)u.a.\mathcal{I}_1 = \int_1^4 \dfrac{1}{1 + \sqrt{x}} \, dx = \ln\left( \dfrac{4e^2}{9} \right) \,\, u.a.
Question 2

Déterminer l'expression f(x)f(x) suivante : f(x)=e2x1tln(t)ln(ln(t))dtf(x) = \int_{e^2}^{x} \dfrac{1}{t \, \ln(t) \, \ln \left( \ln(t)\right) }\, dt. Vous pouvez agrémenter votre réflexion autour d'un changement de variable u=ln(t)u = \ln(t).

Correction
On a :
f(x)=e2x1tln(t)ln(ln(t))dtf(x) = \int_{e^2}^{x} \dfrac{1}{t \, \ln(t) \, \ln \left( \ln(t)\right) }\, dt
Effectuons le changement de variable u=ln(t)u = \ln(t). Dans ce cas, on a :
dudt=dln(t)dtdudt=1tdt=tdu\dfrac{du}{dt} = \dfrac{d \, \ln(t)}{dt} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \dfrac{du}{dt} = \dfrac{1}{t} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, dt = t \, du
Et on a les bornes suivantes :
t=e2ln(t)=ln(e2)u=2t = e^2 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \ln(t) = \ln(e^2) \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, u = 2
mais aussi :
t=xln(t)=ln(x)u=ln(x)t = x \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \ln(t) = \ln(x) \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, u = \ln(x)
Ce qui nous donne :
f(x)=2ln(x)1tuln(u)tduf(x)=2ln(x)1uln(u)duf(x) = \int_{2}^{\ln(x)} \dfrac{1}{t \, u \, \ln \left( u \right) }\, t \, du \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, f(x) = \int_{2}^{\ln(x)} \dfrac{1}{u \, \ln \left( u \right) } \, du
Ceci va encore s'écrire comme :
f(x)=2ln(x)1uln(u)duf(x) = \int_{2}^{\ln(x)} \dfrac{\dfrac{1}{u}}{\ln \left( u \right) } \, du
En intégrant, on obtient :
f(x)=[ln(ln(u))]2ln(x)f(x)=ln(ln(ln(x)))ln(ln(2))f(x) = \left[ \ln \left( \ln(u) \right) \right]_{2}^{\ln(x)} \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, f(x) = \ln \left( \ln(\ln(x)) \right) - \ln \left( \ln(2) \right)
Finalement, on trouve que :
f(x)=ln(ln(ln(x))ln(2))\boxed{f(x) = \ln \left( \dfrac{\ln(\ln(x))}{ \ln(2)}\right) }