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Cours · Bac+1 (MPSI)

Intégration

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Intégrales

Non commencé

Définitions

Soit ff continue sur [a,b][a,b]. L'intégrale abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx est définie comme la limite des sommes de Riemann ou, via le théorème fondamental, F(b)F(a)F(b)-F(a)FF est une primitive de ff. Propriétés : linéarité, relation de Chasles abf+bcf=acf\int_a^b f + \int_b^c f = \int_a^c f, positivité si f0f \geq 0, inégalité triangulaire abfabf|\int_a^b f| \leq \int_a^b |f|.

L'intégration par parties et le changement de variable sont les outils principaux de calcul.

Pour ff continue sur [a,b][a,b], abf=F(b)F(a)\int_a^b f = F(b)-F(a)F=fF'=f. Propriétés : linéarité, Chasles, positivité, ff|\int f|\leq\int|f|.

Outils de calcul : intégration par parties et changement de variable.

Pourquoi c’est central : cette notion structure les preuves et calculs du programme ; maîtriser définitions et hypothèses évite les applications hors cadre.

Formules

  • abf=F(b)F(a)si F=f\int_a^b f = F(b) - F(a) \quad \text{si } F' = f
  • ab(λf+μg)=λabf+μabg\int_a^b (\lambda f + \mu g) = \lambda \int_a^b f + \mu \int_a^b g
  • abfg=[fg]ababfg(IPP)\int_a^b f \, g' = [fg]_a^b - \int_a^b f' g \quad \text{(IPP)}
  • abf(x)dx=αβf(φ(t))φ(t)dt(changement x=φ(t))\int_a^b f(x)\,dx = \int_\alpha^\beta f(\varphi(t)) \varphi'(t)\,dt \quad \text{(changement } x=\varphi(t)\text{)}

Exemples

Exemple 1

Calculer 01exdx\int_0^1 e^x\,dx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Primitive exe^x : [ex]01=e1[e^x]_0^1 = e-1. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

01exdx=e1\int_0^1 e^x\,dx = e-1.

Exemple 2

Calculer 01xexdx\int_0^1 x e^x\,dx par IPP.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Poser u=xu=x, v=exv'=e^x : [xex]0101exdx=e(e1)=1[xe^x]_0^1 - \int_0^1 e^x\,dx = e-(e-1)=1. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

01xexdx=1\int_0^1 x e^x\,dx = 1.

À retenir

Primitives

Non commencé

Définitions

Une primitive de ff sur un intervalle II est une fonction FF telle que F=fF' = f. Si FF est une primitive, toutes les autres sont de la forme F+CF + C. On note parfois f(x)dx\int f(x)\,dx une primitive (indéfinie). Tableau des primitives usuelles : xndx=xn+1n+1+C\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1}+C (n1n \neq -1), 1xdx=lnx+C\int \frac{1}{x}\,dx = \ln|x|+C, exdx=ex+C\int e^x\,dx = e^x+C, cosxdx=sinx+C\int \cos x\,dx = \sin x+C, 11+x2dx=arctanx+C\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C.

Existence : toute fonction continue admet une primitive (théorème fondamental de l'analyse).

Une primitive de ff sur un intervalle est FF telle que F=fF'=f. Elles diffèrent d'une constante. Toute fonction continue admet une primitive.

Primitives usuelles : xαx^\alpha (α1\alpha\neq -1), 1x\frac{1}{x}, exe^x, cos\cos, sin\sin, 11+x2=arctan\frac{1}{1+x^2}=\arctan.

Formules

  • F=fabf=F(b)F(a)F' = f \Rightarrow \int_a^b f = F(b) - F(a)
  • xαdx=xα+1α+1+C(α1)\int x^\alpha\,dx = \frac{x^{\alpha+1}}{\alpha+1} + C \quad (\alpha \neq -1)
  • 1xdx=2x+C;11+x2dx=arctanx+C\int \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx = 2\sqrt{x} + C \quad ; \quad \int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C
  • sin(ax)dx=1acos(ax)+C\int \sin(ax)\,dx = -\frac{1}{a}\cos(ax) + C

Exemples

Exemple 1

Primitive de 11+x2\frac{1}{1+x^2}.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Reconnaître la dérivée de arctan\arctan : F(x)=arctanx+CF(x)=\arctan x + C. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

11+x2dx=arctanx+C\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C.

Exemple 2

Primitive de 1x\frac{1}{\sqrt{x}} sur ]0,+[]0,+\infty[.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) x1/2dx=2x1/2+C\int x^{-1/2}\,dx = 2x^{1/2}+C. Vérification : dérivée =1x=\frac{1}{\sqrt{x}}. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

1xdx=2x+C\int \frac{1}{\sqrt{x}}\,dx = 2\sqrt{x}+C.

À retenir

Techniques

Non commencé

Définitions

Les techniques d'intégration en MPSI incluent : reconnaissance de dérivées composées (f(x)g(f(x))dx\int f'(x)g(f(x))\,dx), changement de variable (linéaire ou bijectif), intégration par parties (choisir uu qui se simplifie en dérivant, vv' facilement primitivable), décomposition en éléments simples pour les fractions rationnelles, linéarisation trigonométrique (sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1-\cos 2x}{2}).

Pour xex2dx\int x e^{x^2}\,dx, poser u=x2u = x^2. Pour lnxdx\int \ln x\,dx, IPP avec u=lnxu = \ln x, v=1v' = 1.

Techniques MPSI : dérivée composée (fgf\int f' g\circ f), changement de variable, IPP, éléments simples, linéarisation trigo (sin2=1cos2x2\sin^2=\frac{1-\cos 2x}{2}).

Choisir la méthode : xex2x e^{x^2}u=x2u=x^2 ; lnx\ln x → IPP ; fraction rationnelle → décomposition.

Formules

  • f(x)ef(x)dx=ef(x)+C\int f'(x) e^{f(x)}\,dx = e^{f(x)} + C
  • uv=uvuv(IPP)\int u'v = uv - \int uv' \quad \text{(IPP)}
  • sin2x=1cos2x2;cos2x=1+cos2x2\sin^2 x = \frac{1 - \cos 2x}{2} \quad ; \quad \cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2}
  • 1(xa)(xb)=1ab(1xa1xb)\frac{1}{(x-a)(x-b)} = \frac{1}{a-b}\left(\frac{1}{x-a} - \frac{1}{x-b}\right)

Exemples

Exemple 1

Calculer xex2dx\int x e^{x^2}\,dx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Poser u=x2u=x^2, du=2xdxdu=2x\,dx : 12eudu=12ex2+C\frac{1}{2}\int e^u\,du = \frac{1}{2}e^{x^2}+C. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

12ex2+C\frac{1}{2}e^{x^2}+C.

Exemple 2

Calculer sin2xdx\int \sin^2 x\,dx.

Méthode

(1) Lire l'énoncé et repérer les hypothèses / la forme utile. (2) Linéariser : sin2x=1cos2x2\sin^2 x = \frac{1-\cos 2x}{2}, puis intégrer terme à terme. (3) Vérifier le résultat (ordre de grandeur, cas particulier, ou dérivation/substitution).

Résultat

x2sin2x4+C\frac{x}{2}-\frac{\sin 2x}{4}+C.

À retenir