Primitives d`une fonction continue sur un intervalle

LEÇON N˚ 76 :
Primitives d’une fonction continue sur un
intervalle; définition et propriétés de
l’intégrale, inégalité de la moyenne.
Applications.
Pré-requis :
Si fest une fonction numérique dérivable sur ]a, b[telle que f= 0 (resp. >0), alors fest constante
(resp. croissante);
Si fC0[a, b], alors f[a, b]est un intervalle fermé borné.
Approche intuitive
Soit fune fonction continue et positive sur I= [a, b](avec a < b)
et Csa courbe représentative dans un repère othonormal. Pour x0
[a, b], on note A(x)l’aire qui est délimitée par l’axe des abscisses, C
et les droites d’équations x=aet x=x0.
Pour tout x0I,
h f(x0)6A(x0+h)A(x0)6hg(x0) + ε
f(x0)61
hA(x0+h)A(x0)6f(x0) + ε
h0(ε0)
A(x0) = f(x0).
Donc A=fsur l’intervalle I.
Ox0x0+h
C
f(x0)
f(x0) + h
A(x0+h)
A(x0)
76.1 Primitives d’une fonction continue
Définition 1 : Soit f:IRR. On dit qu’une fonction F:IRest une primitive de fsur
Isi Fest dérivable et F=f.
Théorème 1 : Soit f:IRcontinue. Alors fadmet au moins une primitive sur I.
Remarque 1 :Ce théorème est admis.
2Primitives d’une fonction, intégrale, inégalité de la moyenne
Théorème 2 : Soit f:IRcontinue admettant pour primitive F. Alors {x7→ F(x)+c, c R}
est l’ensemble des primitives de fsur I. De plus, si x0Iet y0R, alors il existe une unique
primitive Gde fsur Itelle que G(x0) = y0.
démonstration :Fest dérivable sur I, donc pour tout cR,x7→ F(x) + cl’est aussi sur I. Posons
alors e
Fc(x) = F(x)+c. Alors e
F
c(c)+F(x) = f(x), donc e
Fcest une primitive de fsur I. De plus, si e
Fc
et e
Fcsont deux primitives telles que e
Fc(x0) = e
Fc(x0) = y0, alors en particulier, F(x)+c=F(x)+c,
d’où c=c.
Corollaire 1 : Soit f:IRcontinue admettant pour primitive F. Pour toute primitive Gde f
sur Icontenant aet b,F(a)F(b) = G(a)G(b).
démonstration :Il existe une contante cRtelle que pour tout réel xI, on a G(x) + F(x) + c,
donc G(a)G(b) = F(a) + cF(b) + c=F(a)F(b).
76.2 Recherche d’une primitive
76.2.1 Tableau inverse de dérivées
I
(nN)
R
(n>2)
RR
+RRR\{π
2[π]}
f(x)xnxn1/xcos xsin x1 + tan2x= cos2x
F(x)xn+1
n+ 1
x1n
1n2xsin xcos xtan x
76.2.2 Propriétés usuelles
Soient uet vadmettant pour primitives Uet Vsur I. Alors :
α, β R,αu +βv admet pour primitive αU +βV ;
a6= 0,x7→ u(ax +b)admet pour primitive 1
aU(ax +b);
nN,u·Unadmet pour primitive Un+1
n+ 1.
Si vadmet pour primitive Vsur JRtel que U(I)J, alors VUest une primitive de u·(vU)sur I.
76.3 Définition et propriétés de l’intégrale
Définition 2 : Soient f:IRcontinue et a, b I(a6b). On appelle intégrale de aàbde fle
nombre F(b)F(a), noté Rb
af(t) dtou F(t)b
a, où Fest une primitive de fsur I.
Remarques 2 :
Cette définition ne dépend pas de la primitive choisie (corollaire 1).
On a en particulier Ra
af(t) dt=F(a)F(a) = 0 et Rb
af(t) dt=Ra
bf(t) dt.
Primitives d’une fonction, intégrale, inégalité de la moyenne 3
Théorème 3 : Soit f:IRcontinue. La fonction Fdéfinie sur Ipar F(x) = Rx
af(t) dt(aI)
est LA primitive de fsur Is’annulant en a.
démonstration :fadmet une primitive G. Alors Rx
af(t) dt=F(x) = G(x)G(a). Donc F(x) =
G(x) = f(x)pour tout xI, d’où Fest bien une primitive de f. Or F(a) = F(a)G(a) = 0, donc
d’après le théorème 2, Fest l’unique primitive de fs’annulant en a.
Exemple : Soit f:R
+Rla fonction définie par f(x) = 1
x. Alors
F(x) = Zx
1
f(t) dt=Zx
1
dt
t= ln(x).
Proposition 1 : soient f, g :IRcontinues. Alors :
(i) Pour tous a, b, c I, on a Rc
af(t) dt=Rb
af(t) dt+Rc
bf(t) dt(relation de Chasles);
(ii) Pour tous a, b Iet pour tous α, β R, on a Rb
aαf(t) + βg(t) dt=αRb
af(t) dt+
βRb
ag(t) dt.
démonstration :
(i) Puisque fest continue sur I, elle admet une primitve Fsur I. Il vient que
Zb
a
f(t) dt+Zc
b
f(t) dt=F(b)F(a) + F(c)F(b) = F(c)F(a) = Zc
a
f(t) dt.
(ii) Si Fet Gdésignent des primitives de fet gsur I, alors les propriétés du paragraphe 2.2 nous
assurent que αF +βG est une primitive de αf +βg. Donc
Zb
a
αf(t) + βg(t) dt=αF (b) + βG(b)αF (a)βG(a)
=αF(b)F(a)βG(b)G(a)
=αZb
a
f(t) dt+βZb
a
g(t) dt,
d’où le résultat demandé.
Proposition 2 : Soit f:IRcontinue et positive. Alors pour tous a, b Itels que a6b, on a
Rb
af(t) dt>0.
démonstration :Soit Fune primitive de fsur I. Alors F=f>0, donc Fest croissante. Par suite,
F(b)>F(a)F(b)F(a)>0Zb
a
f(t) dt>0.
Proposition 2’ : Soit f:IRcontinue et positive telle qu’il existe x0Itel que f(x0)6= 0.
Alors pour tous a, b Ivérifiant a6b, on a Rb
af(t) dt > 0.
4Primitives d’une fonction, intégrale, inégalité de la moyenne
démonstration :fest continue signifie qu’il existe [c, d][a, b](c < d)tel que pour tout x,¸d],
f(x)> f(x0)/2. Alors
Zb
a
f(t) dt=Zc
a
f(t) dt
|{z }
>0
+Zd
c
f(t) dt+Zb
d
f(t) dt
|{z }
>0
>Zd
c
f(t) dt > 1
2Zd
c
f(x0) dt=f(x0)
2(dc)>0.
Corollaire 2 : Soient f, g :IRcontinues telles que f6gsur I. Alors pour tous a, b I
vérifiant a6b, on a Rb
af(t) dt6b
ag(t) dt.
démonstration :On a par hypothèse gf>0sur I, donc
Zb
a
g(t)f(t) dtprop 1
=Zb
a
g(t) dtZb
a
f(t) dt>0,
d’où le résultat.
Corollaire 3 : Soit f:IRcontinue. Pour tous a, b I, on a |Rb
af(t) dt|6Rb
a|f(t)|dt.
démonstration :Rappelons que pour tous x, y R,|x| − |y|6|x+y|6|x|+|y|(il s’agit de
l’inégalité triangulaire). Sur I, posons f+= sup(f, 0) et f= sup(f, 0), de sorte que f=f+f
et |f|=f++f. D’après la proposition 2, f+, f>0Rb
af+,Rb
af>0, donc
Zb
a
f=Zb
a
f+f=Zb
a
f+Zb
a
f
6Zb
a
f++Zb
a
f=Zb
a
f++Zb
a
fprop 1
=Zb
a
f++f
Zb
a
f6Zb
a|f|.
Exercice :
Montrer que pour tous x, y R,|sin xsin y|6|xy|.
Soient a, b Itels que a < b, et
n:C0([a, b]) R
f7−Rb
a|f(t)|dtet ϕ:C0([a, b])2R
(f, g)7−Rb
af(t)g(t) dt.
Montrer que nest une norme sur C0([a, b]) et que ϕest un produit scalaire.
Solution :
Soient x, y R. On peut supposer, quitte à échanger leurs rôles, que x6y. Pour tout tR, on a :
16cos t61coro 2
Zy
x
1 dt6Zy
x
cos(t) dt6Zy
x
1 dt[t]y
x6[sin(t)]y
x6[t]y
x | sin xsin y|6|xy|.
Rappelons tout d’abord qu’une norme sur un R-espace vectoriel Eest une application Nà valeurs positives et satisfaisant les
critères de séparation, d’homogénéité et d’inégalité triangulaire. nest déjà une application à valeurs positives. Vérifions alors
les autres points :
Primitives d’une fonction, intégrale, inégalité de la moyenne 5
Séparation : Soit fC0([a, b]) tel que n(f) = 0. Montrons alors par l’absurde que f= 0. Supposons donc que f6= 0.
Il existe alors x0[a, b]tel que f(x0)6= 0, et la proposition 2’ nous assure alors que Rb
af(t) dt > 0. En appliquant
ensuite le corollaire 3, on obtient l’inégalité suivante :
0<Zb
a
f(t) dt=Zb
a
f(t) dt6Zb
a
|f(t)|dt.
Ceci implique alors que n(f)>0, ce qui contredit l’hypothèse de départ. On obtient donc bien l’implication n(f) = 0
f= 0.
Homogénéité : Soient λRet fC0([a, b]). Alors
n(λf) = Zb
a
|λf(t)|dt=Zb
a
|λ|·|f(t)|dt=|λ|Zb
a
|f(t) dt=|λ|n(f).
Inégalité triangulaire : Soient enfin f, g C0([a, b)]. Alors
n(f+g) = Zb
a
|f(t) + g(t)|dtcoro 2
6Zb
a
|f(t)|+|g(t)|dt=Zb
a
|f(t)|dt+Zb
a
|g(t)|dt=n(f) + n(g).
Rappelons ensuite qu’une application est un produit scalaire si elle est bilinéaire, symétrique, positive et séparée. Vérifions
ces quatre points pour l’application ϕ:
Positivité : Soit fC0([a, b]). Montrons que ϕ(f, f )>0:ϕ(f, f) = Rb
af(t)2dtprop 2
>0.
Séparation : Soit fC0([a, b]). Montrons par l’absurde que ϕ(f, f ) = 0 f= 0. Supposons que f6= 0, c’est-à-dire qu’il
existe x0[a, b]tel que f(x0)6= 0. Alors f(x0)26= 0, et la proposition 2’ nous assure que Rb
af(t)2dt > 0, ou encore
ϕ(f, f )>0, ce qui contredit l’hypothèse de départ. Par conséquent, il vient que f= 0.
Bilinéarité : Cette propriété ne sera vérifiée que pour f, les rôles de fet gétant symétriques dans ϕ. Supposons gconstante.
Alors pour tous f1, f2C0([a, b]) et λR, on a
ϕ(f1+f2, g) = Zb
af1(t) + f2(t)g(t) dt=Zb
a
f1(t)g(t) + f2(t)g(t) dt=Zb
a
f1(t)g(t) dt+Zb
a
f2(t)g(t) dt
=ϕ(f1, g) + ϕ(f2, g),
et ϕ(λf1, g) = Zb
aλf1(t)g(t) dt=λZb
a
f1(t)g(t) dt=λϕ(f1, g).
Symétrie : La symétrie est assurée par la commutativité du produit dans R:f(t)g(t) = g(t)f(t).
Théorème 4 (inégalité de la moyenne) : Soient f:IRcontinue et a, b Ivérifiant a < b. S’il
existe deux réels met Mtels que m6f6Msur I, alors m(ba)6Rb
af(t) dt6M(ba).
démonstration :Pour tout xI,
f(x)m>0prop 2
Zb
a
f(t)mdt>0Zb
a
mdt6Zb
a
f(t) dtm(ba)6Zb
a
f(t) dt.
On montre de la même manière que Rb
af(t) dt6M(ba).
76.4 Applications
Exercice : Calculer l’aire entre une parabole (x7→ x2) et une sécante entre les deux points d’intersection.
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