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Leçon 3

Calculer une intégrale avec une primitive

Vidéo 3 : Calculer une intégrale avec une primitive · 3 min 49 s · sous-titres en français

Le cours écrit

3.1 La formule

Propriété. Si ff est continue et positive sur [a ;b][a\,;b], et si FF est une primitive quelconque de ff sur [a ;b][a\,;b], alors ∫abf(x) dx=F(b)−F(a).\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x = F(b) - F(a).

Démonstration. FF et FaF_a sont deux primitives de ff sur l'intervalle [a ;b][a\,;b]. Elles diffèrent d'une constante (chapitre 13) : il existe un réel cc tel que Fa(x)=F(x)+cF_a(x) = F(x) + c pour tout xx. En x=ax = a : 0=F(a)+c0 = F(a) + c, donc c=−F(a)c = -F(a). En x=bx = b : Fa(b)=∫abf(x) dx=F(b)−F(a).F_a(b) = \int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x = F(b) - F(a).

3.2 La notation avec des crochets

On note [F(x)]ab=F(b)−F(a)\Big[F(x)\Big]_a^b = F(b) - F(a).

Méthode. On écrit une primitive entre crochets. Puis on remplace xx par la borne du haut, puis par celle du bas, et on soustrait, avec des parenthèses.

Peu importe la primitive choisie : avec F+kF + k, on obtient (F(b)+k)−(F(a)+k)=F(b)−F(a)(F(b) + k) - (F(a) + k) = F(b) - F(a). La constante disparaît.

3.3 Exemples

Exemple 9. ∫01x2 dx=[x33]01=13−0=13\displaystyle\int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x = \left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^1 = \dfrac13 - 0 = \dfrac13. C'est le résultat que les rectangles laissaient deviner.

Exemple 10. ∫13(2x+1) dx=[x2+x]13=(9+3)−(1+1)=10\displaystyle\int_1^3 (2x + 1)\,\mathrm{d}x = \Big[x^2 + x\Big]_1^3 = (9 + 3) - (1 + 1) = 10. On vérifie sur la figure : c'est un trapèze de bases 33 et 77, de hauteur 22.

Exemple 11. ∫0π/2cos⁡x dx=[sin⁡x]0π/2=1−0=1\displaystyle\int_0^{\pi/2} \cos x\,\mathrm{d}x = \Big[\sin x\Big]_0^{\pi/2} = 1 - 0 = 1 et ∫0πsin⁡x dx=[−cos⁡x]0π=1+1=2\displaystyle\int_0^{\pi} \sin x\,\mathrm{d}x = \Big[-\cos x\Big]_0^{\pi} = 1 + 1 = 2.

Exemple 12. ∫1e1x dx=[ln⁡x]1e=1−0=1\displaystyle\int_1^{\mathrm{e}} \dfrac1x\,\mathrm{d}x = \Big[\ln x\Big]_1^{\mathrm{e}} = 1 - 0 = 1.

Exemple 13. ∫141x dx=[2x]14=4−2=2\displaystyle\int_1^4 \dfrac{1}{\sqrt x}\,\mathrm{d}x = \Big[2\sqrt x\Big]_1^4 = 4 - 2 = 2 et ∫0ln⁡3ex dx=[ex]0ln⁡3=3−1=2\displaystyle\int_0^{\ln 3} \mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x = \Big[\mathrm{e}^x\Big]_0^{\ln 3} = 3 - 1 = 2.

Exemple 14. ∫12(3x2−2x)dx=[x3−2ln⁡x]12=(8−2ln⁡2)−1=7−2ln⁡2\displaystyle\int_1^2 \left(3x^2 - \dfrac2x\right)\mathrm{d}x = \Big[x^3 - 2\ln x\Big]_1^2 = (8 - 2\ln 2) - 1 = 7 - 2\ln 2.

3.4 Avec les formes du chapitre 13

On reconnaît les formes u′ euu'\,\mathrm{e}^u, u′unu'u^n, u′u\dfrac{u'}{u}, u′u\dfrac{u'}{\sqrt u}, en ajustant un facteur constant si besoin.

Exemple 15. ∫01e2x dx=[12 e2x]01=12(e2−1)\displaystyle\int_0^1 \mathrm{e}^{2x}\,\mathrm{d}x = \left[\dfrac12\,\mathrm{e}^{2x}\right]_0^1 = \dfrac12\left(\mathrm{e}^2 - 1\right).

Exemple 16. ∫012xx2+1 dx=[ln⁡(x2+1)]01=ln⁡2\displaystyle\int_0^1 \dfrac{2x}{x^2 + 1}\,\mathrm{d}x = \Big[\ln\left(x^2 + 1\right)\Big]_0^1 = \ln 2 : forme u′u\dfrac{u'}{u} avec u(x)=x2+1>0u(x) = x^2 + 1 > 0.

Exemple 17. ∫01x ex2 dx=[12 ex2]01=e−12\displaystyle\int_0^1 x\,\mathrm{e}^{x^2}\,\mathrm{d}x = \left[\dfrac12\,\mathrm{e}^{x^2}\right]_0^1 = \dfrac{\mathrm{e} - 1}{2} : forme 12 u′ eu\dfrac12\,u'\,\mathrm{e}^u avec u(x)=x2u(x) = x^2.

Exemple 18. ∫01(2x+1)3 dx=[(2x+1)48]01=81−18=10\displaystyle\int_0^1 (2x + 1)^3\,\mathrm{d}x = \left[\dfrac{(2x + 1)^4}{8}\right]_0^1 = \dfrac{81 - 1}{8} = 10 et ∫0π/4sin⁡(2x) dx=[−12cos⁡(2x)]0π/4=0+12=12\displaystyle\int_0^{\pi/4} \sin(2x)\,\mathrm{d}x = \left[-\dfrac12\cos(2x)\right]_0^{\pi/4} = 0 + \dfrac12 = \dfrac12.

3.5 Une aire en situation

Exemple 19 (le porche d'une grange). Le porche d'une grange a la forme d'un arc de parabole : y=4−x2y = 4 - x^2 pour xx dans [−2 ;2][-2\,;2], en mètres. L'aire de l'ouverture vaut ∫−22(4−x2)dx=[4x−x33]−22=163+163=323≈10,7 m2.\int_{-2}^{2} \left(4 - x^2\right)\mathrm{d}x = \left[4x - \dfrac{x^3}{3}\right]_{-2}^{2} = \dfrac{16}{3} + \dfrac{16}{3} = \dfrac{32}{3} \approx 10{,}7 \text{ m}^2. Un panneau de bois à 3030 euros le mètre carré coûte 323×30=320\dfrac{32}{3} \times 30 = 320 euros.

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Exercices 5 et 6

  • Exercice 5 : primitives de référence
  • Exercice 6 : reconnaître la forme

Exercices du chapitre (PDF, 179 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 184 Ko)

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