©Laurent Garcin MPSI Lycée Jean-Baptiste Corot
PRIMITIVES ET INTÉGRALES
Les fonctions de ce chapitre sont des fonctions d’une variable réelle à valeurs réelles ou complexes.
1 Primitives
1.1 Définition
Définition 1.1 Primitive
Soit fune fonction continue sur un intervalle I. On appelle primitive de fsur Itoute fonction définie sur I
dont la dérivée vaut f.
Exemple 1.1
Une primitive de tan sur π
2,π
2est t7ln(cos t).
Remarque. Une primitive est toujours dérivable donc continue.
Proposition 1.1 Linéarité
Soient fet gdeux fonctions continues sur un intervalle Iet Fet Gdeux primitives respectivement de fet g
sur I. Soit (λ, µ)R2. Alors λF +µG est une primitive de λf +µg.
Exercice 1.1
Soit fune fonction continue sur Rde primitive Fsur R. Soient aRet λR. Déterminer à l’aide de Fune
primitive de x7f(x+a)et de x7f(λx).
Proposition 1.2
Soit fune fonction continue sur un intervalle I. Si Fest une primitive de fsur I, alors les primitives de fsont
les fonctions de la forme F+CCest une constante.
Attention ! Il est important de considérer une fonction continue sur un intervalle. Les fonctions f1:
RR
x7−ln |x|et f2:
RR
x7−ln |x|1si x<0
ln |x|+1si x>0
admettent toutes deux pour dérivée la fonction
inverse mais elles ne diffèrent pas d’une constante (f2f1= −1sur R
et f2f1=1sur R
+). En effet, R
n’est pas un intervalle mais la réunion de deux intervalles (d’où les deux constantes différentes).
Exercice 1.2
Déterminer des primitives de x7excos(2x)et x7exsin(2x)par passage en complexes.
On admet pour l’instant le théorème suivant.
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Théorème 1.1 Théorème fondamental de l’analyse
Soient fune fonction continue sur Iet aI. Alors F:x7Zx
a
f(t)dt est dérivable sur Iet F0=f.
Autrement dit, Fest l’unique primitive de fsur Is’annulant en a.
Attention ! Il ressort des deux résultats précédents qu’une fonction continue sur un intervalle admet toujours
une infinité de primitives sur cet intervalle. On prendra donc garde à ne jamais écrire des phrases du type « Soit
Fla primitive de f» mais plutôt « Soit Fune primitive de f».
Corollaire 1.1 Calcul d’intégrale
Soit fune fonction continue sur Iet Fune primitive de fsur I. Pour (a, b)I2
Zb
a
f(t)dt =F(b) − F(a)
La quantité F(b) − F(a)se note souvent F(t)t=b
t=a.
Remarque. On a en particulier Zb
a
C dt =C(ba).
Exercice 1.3 Banal
Etablir la dérivabilité puis calculer la dérivée de la fonction ψdéfinie par
x7−Zex
ex
1+ln2(t)dt.
Exercice 1.4
Soit fune fonction continue sur R. Déterminer lim
x0
1
xZx
0
f(t)dt.
Exercice 1.5
Montrer que si fest une fonction continue et T-périodique sur R, alors pour tout aR
Za+T
a
f(t)dt =ZT
0
f(t)dt
1.2 Primitives usuelles
La connaissance des dérivées des fonctions usuelles permet de déterminer des primitives des fonctions usuelles.
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ISoit αR\Z. Une primitive de x7xαsur R
+est x7xα+1
α+1.
ISoit nN. Une primitive de x7xnsur Rest x7xn+1
n+1.
ISoit nZ\ {1}. Une primitive de x7xnsur R
+et sur R
est x7xn+1
n+1.
IUne primitive de x71
xsur R
+sur R
+est x7ln xet une primitive de 1
xsur R
est x7ln(−x).
ISoit aC. Une primitive de x7eax sur Rest x7eax
a.
IUne primitive de x7ln xsur R
+est x7xln xx.
IUne primitive de x7sin xsur Rest x7cos x.
IUne primitive de x7cos xsur Rest x7sin x.
ISoit kZ. Une primitive de x7tan xsur iπ
2+kπ, π
2+hest x7ln |cos x|.
IUne primitive de x71
1x2sur ] − 1, 1[est x7arcsin x.
IUne primitive de x71
1x2sur ] − 1, 1[est x7arccos x.
IUne primitive de x71
1+x2sur ] − 1, 1[est x7arctan x.
IUne primitive de x7sh xsur Rest x7ch x.
IUne primitive de x7ch xsur Rest x7sh x.
IUne primitive de x7th xsur Rest x7ln(ch x).
Primitives usuelles
Remarque. Une primitive de x71
1x2sur ] − 1, 1[est également x7arcsin x. En effet, les fonctions
arccos et arcsin différent d’une constante, à savoir arccos =π
2arcsin.
Remarque. x7ln |x|est une primitive de 1
xaussi bien sur R
+que sur R
.
Dans le même ordre d’idée, si uest une fonction de classe C1ne s’annulant pas sur un intervalle I, une primitive
de u0
usur Iest x7ln |u(x)|.
Méthode Calcul d’une primitive de x7eax cos(bx)et de x7eax sin(bx)
Pour calculer une primitive de x7eax cos(bx)ou x7eax sin(bx), on utilise le fait que ces fonctions sont
respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de x7eαx avec α=a+ib.
Une primitive de x7eαx est x7eαx
α. La partie réelle et la partie imaginaire de x7eαx
αsont donc
respectivement des primitives de x7eax cos(bx)et de x7eax sin(bx).
Remarque. Soit aR. Une primitive de x71
x2+a2est x71
aarctan x
a.
Soit aR
+. Une primitive de x71
a2x2est x7arcsin x
a.
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Soit (a, b, c)R3avec a6=0. On cherche à déterminer une primitive de x71
ax2+bx +c.
ISi le trinôme aX2+bX +cadmet deux racines réelles distinctes r1et r2(avec r1< r2), on déterminer
deux réels C1et C2tels que
xR\ {r1, r2},1
ax2+bx +c=C1
xr1
+C2
xr2
Une primitive de x71
ax2+bx +csur ] − , r1[,]r1, r2[,]r2,+[est alors
x7C1ln |xr1|+C2ln |xR2|
La valeur absolue assure la validité de cette primitive sur chacun des trois intervalles cités.
ISi le trinôme aX2+bX +cadmet une racine double r, alors
xR\ {r},1
ax2+bx +c=1
a(xr)2
Une primitive de x71
ax2+bx +csur ] − , r[et ]r, +[est tout simplement
x71
a(xr)
ISi le trinôme aX2+bX +cn’admet pas de racine réelle, on le met sous forme canonique
xR,1
ax2+bx +c=1
a[(x+α)2+β2]
On a en fait α=b
2a et β2= b24ac
4a2mais peu importe. Une primitive de x71
ax2+bx +cest
alors
x71
arctan x+α
β
Primitive de x71
ax2+bx +c
Remarque. Il est INUTILE (et d’ailleurs impossible) de retenir ces résultats par coeur. Seuls les trois cas
et les méthodes associées sont à connaître.
Exercice 1.6
Déterminer des primitives de x71
2x2+5x 3,x71
4x2+4x +1et x71
x2+x+1.
Méthode Vérification des primitives
Après avoir déterminé une primitive d’une fonction, on essaiera toujours de vérifier la validité de ses calculs en
dérivant la primitive pour voir si on retrouve bien la fonction initiale.
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2 Intégrales
2.1 Propriétés de l’intégrale
Proposition 2.1 Propriétés de l’intégrale
Soient fet gdeux fonctions continues sur un intervalle Ià valeurs réelles et (a, b, c)I3.
Linéarité Soit (λ, µ)R2. Alors Zb
a
(λf(t) + µg(t)) dt =λZb
a
f(t)dt +µZb
a
g(t)dt.
Positivité de l’intégrale Si a6bet si f>0sur [a, b], alors Zb
a
f(t)dt >0.
Croissance de l’intégrale Si a6bet si f6gsur [a, b], alors Zb
a
f(t)dt 6Zb
a
g(t)dt.
Relation de Chasles Zb
a
f(t)dt =Zc
a
f(t) + Zb
c
f(t)dt
Attention ! Il faut prendre garde à l’ordre des bornes dès qu’on écrit des inégalités avec des intégrales. On
essaiera toujours de se ramener au cas a6b.
Remarque. On rappelle que Za
a
f(t)dt =0.
On rappelle également que Za
b
f(t)dt = Zb
a
f(t)dt, ce qui est par exemple une conséquence de la relation de
Chasles.
Remarque. La variable d’intégration est muette (comme l’indice de sommation dans une somme), c’est-à-dire
que Zb
a
f(t)dt =Zb
a
f(u)du.
Dans le même registre, une intégrale ne dépend pas de sa variable de sommation mais seulement de ses bornes
(et évidemment de la fonction intégrée).
Exercice 2.1
On pose In=Z1
0
tn
1+etdt. Déterminer le sens de variation et la limite de (In).
Exercice 2.2
Montrer que lim
x+Zx
0
et
t+1dt = +.
Proposition 2.2 Inégalité triangulaire
Soient fune fonction continue sur Ià valeurs réelles et (a, b)I2. Si a6b, alors
Zb
a
f(t)dt
6Zb
a
|f(t)|dt
Remarque. Si on pense à l’intégrale comme à une somme infinitésimale, ceci n’est que l’analogue de l’inégalité
triangulaire pour les sommes.
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