calcul différentiel et intégral notes de cours PDF

site de Geneviève Savard https://cours.etsmtl.ca/seg/GSAVARD/MAT145V2.pdf et sur le aires de ces n rectangles appelée somme de gauche et notée Gn.

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7. Quelles doivent être les dimensions d'un rectangle de périmètre 64 mètres pour que son aire soit maximale? 8. Quelles doivent être les

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dentaire soit conçue de façon qu'au cours de l'examen l'opérateur demeure à l'extérieur du maximale prévue du tube radiogène et de la charge de travail;.

SAAQ

au cours des dernières années notamment l'accès graduel à la conduite Pour être admis à l'examen

Mathématiques appliquées secondaire 2 - Exercices - Supplément

Tu obtiens l'aire maximale si la largeur est égale à 75 et la longueur

École de technologie supérieure

Service des enseignements généraux

Local B-2500 514-396-8938

Site internet:http://www.etsmtl.ca/

MAT145

CALCUL DIFFÉRENTIEL ET INTÉGRAL

NOTES DE COURS

2 ePARTIE

PARGENEVIÈVESAVARD,

ROBERTMICHAUD ET

ANDRÉBORDELEAU

RÉDIGÉ EN OCTOBRE2006

RÉVISÉ EN JANVIER2023

Table des matièresAvant-propos vii4 L"intégrale 1

4.1 L"intégrale définie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 2

4.1.1 Unités de l"intégrale définie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 6

4.1.2 Propriétés de l"intégrale définie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 8

4.2 Théorème fondamental du calcul différentiel et intégral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.2.1 L"intégrale indéfinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 17

4.2.2 Table d"intégrales indéfinies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 19

4.2.3 Interprétation de l"intégrale définie . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 22

4.2.4 Preuve du théorème fondamental du calcul . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 35

4.3 Techniques d"intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 38

4.3.1 Intégration par substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 39

4.3.2 Complétion de carré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 52

4.3.3 Intégration par parties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 59

4.4 Intégrales impropres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 66

4.5 Autres applications de l"intégrale définie . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 74

4.5.1 Forces distribuées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 76

5 Calculs d"aires, de volumes et de longueurs 81

5.1 Aires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 81

5.2 Solides de révolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 91

5.2.1 Méthode des disques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 92

5.2.2 Méthode des tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 100

5.3 Longueurs d"arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 109

iii ivTABLE DES MATIÈRES

6 Polynômes et séries de Taylor 115

6.1 Approximer une fonction grâce à un polynôme . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 116

6.2 Les séries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 127

6.2.1 Des polynômes de Taylor de degré de plus en plus grand . . . . . . .. . . . . . . 127

6.2.2 Séries numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 129

6.2.3 Séries de puissances, séries de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 135

6.2.4 Intervalle de convergence et test du rapport . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 138

6.2.5 Séries alternées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 143

6.3 Obtention de nouvelles séries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 151

6.3.1 Séries de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 151

6.3.2 Dérivation et intégration des séries de puissances . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 152

6.3.3 Substitution dans une série de puissance . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 153

6.4 Utilisation des séries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 158

6.4.1 Applications en physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 158

6.4.2 Calcul d"intégrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 164

6.5 Séries géométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 169

Annexe 175

A.1 Quelques notions de cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 175

A.1.1 Comment obtenir la position à partir de la vitesse . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 175

A.1.2 Comment obtenir la vitesse à partir de l"accélération . . . .. . . . . . . . . . . . . 177

A.2 Aide-mémoire TI-Nspire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 180

A.2.1 Suites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 180

A.2.2 Sommations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 180

A.2.3 Sommes de droite et de gauche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 182 A.2.4 Comment rendre une fonction accessible dans tous les classeurs . . . . . . . . . 182 A.2.5 Utilisation de l"éditeur de programmes . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 183

A.2.6 Intégrales définies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 185

A.2.7 Intégrales indéfinies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 185

A.2.8 Construction de primitives: intégrale définie avec une borne variable . . . . . . . 186

A.2.9 Polynômes de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 187

A.3 Règles et formules de dérivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 188

A.4 Table d"intégrales indéfinies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 190

TABLE DES MATIÈRESv

A.5 Table des séries de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 191

Réponses 193

Chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 193

Chapitre 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 209

Chapitre 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 214

Bibliographie 223

Index 225

Avant-propos

Le texte que vous avez entre les mains est le fruit d"une réflexion amorcée il y a quelques années

au sein du groupe de mathématiques de l"ÉTS. Deux défis nous interpellaient à ce moment:

1. Comment rendre les mathématiques intéressantes et vivantes à un groupe d"étudiants en

génie? Notre clientèle provient principalement du secteur technique au collégial et elle a, en

conséquence, "soif» de concret et d"applications.

2. Étant donnés l"avènement et l"accessibilité grandissante dedivers outils de calcul, quelle

attitude adopter à l"égard de ceux-ci?

La première question en est une d"actualité dans chaque faculté ou école de génie au Québec. À

l"ÉTS, certaines lignes directrices se sont dégagées à l"issue des nombreuses discussions et échanges

sur les pratiques pédagogiques de chacun. Ces lignes directrices colorent en quelque sorte le texte

qui suit; nous y reviendrons... La deuxième question s"est conclue par l"adoption d"une résolutionde la part du groupe allant

dans le sens d"une " permissivité contrôlée ». Permissivité en cesens que plutôt que de chercher à

mener un combat qui s"avérerait toujours d"arrière-garde (et endéfinitive, perdu) contre les " nou-

velles technologies », il a été décidé d"en faire un usage étendu. Contrôlée, en ce sens que le choix

de l"outil a été arrêté et le calculateur symbolique produit parTexas Instrument (TI-92+ à l"époque,

Voyage 200 ensuite et Nspire maintenant) a été retenu pour usage.Dire que cette décision a eu un

impact senti sur l"enseignement (et l"apprentissage) des maths àl"ÉTS serait un euphémisme...

D"emblée, une constatation s"est imposée: il n"existait pas de manuel qui correspondait à ce

que le groupe recherchait. Il fallait donc plonger dans l"aventure de la rédaction. Celle-ci débuta au

printemps2006 et résulta en la production d"un recueil d"exercices couvrant l"ensemble de la matière

2007 et se poursuivit peu à peu au fil des sessions.

Les " lignes directrices » auxquelles nous référions plus hautont déterminé l"allure globale du

texte produit. Elles se manifestent dans la présentation des concepts et dans le choix des exemples et

exercices, entre autres. Quelles sont-elles?

1. Mettre l"accent sur l"interprétation et le traitement graphiques.

2. Avoir recours aux applications comme support au développement des habiletés et comme

contexte d"utilisation des notions enseignées. À ce titre, nous jugeons pertinent de signaler l"espace important consenti aux applications relevant spécifiquement du génie et des sciences en général. vii viiiAVANT-PROPOS

3. Encourager et susciter l"utilisation judicieuse (parfois nécessaire) du calculateur symbolique

TI dont l"emploi est imposé à toute la communauté étudiante de l"ÉTS depuis 1999. Les fonctionnalités graphiques et la puissance de calcul de l"outilfacilitent d"ailleurs le suivi des deux premières lignes directrices. Ces notes de cours ayant comme propos d"agir comme support didactique au cours MAT145,

il aurait été contre-productif selon les auteurs d"aller, dans la présentation, au-delà des notions

enseignées " sur le terrain », c"est-à-dire en classe. Si on privilégie une approche en enseignement

centrée sur l"utilisation de représentations graphiques et le recours à des situations " concrètes »

comme contexte pour faire des maths, il faut être prêt à payer le prix concomitant en ce qui a trait

à la rigueur de certains traitements et de certaines discussions. Ainsi, le lecteur observera que les

théorèmes ne sont pas tous accompagnés de démonstrations formelles. Celles qui apparaissent ont

se procurer un manuel de référence, nous suggérons les ouvrages [1] ou [2] de la bibliographie,

disponibles à la bibliothèque de l"ÉTS.

Remerciements

Plusieurs personnes ont consenti temps et efforts dans le but de rendre ce texte lisible, compré-

exercices de leur cru. Nous les en remercions sincèrement. Nous tenons à remercier particulièrement

Mme Kathleen Pineau du Service des enseignements généraux pour sa contribution (exercices,

exemples et résumés), MM. Alain Hénault et Frédérick Henri (aussi du SEG) pour le temps qu"ils

ont aimablement consenti à la révision, ainsi que M. Martin Chicoine, du département de physique

de l"Université de Montréal pour ses révisions de textes et le développement d"outils graphiques fort

utiles.

Nous tenons finalement à exprimer notre reconnaissance à l"endroit des étudiants qui se sont

prêtés de bonne grâce au jeu de la " chasse à l"erreur » des premières éditions ainsi qu"à ceux qui

nous ont encouragés à poursuivre l"entreprise. Les commentaires et suggestions seront toujours appréciés... Geneviève Savard, Robert Michaud et André Bordeleau, Maîtres d"enseignement à l"École de technologie supérieure

Août 2011

Calculatrice symbolique

Lorsque nous mentionnons l"emploi d"une calculatrice symbolique dans ce texte, nous ré-

férons à la calculatrice actuellement en usage à l"ÉTS, soit la TI-Nspire CX CAS de Texas

Instrument (version calculatrice ou logiciel). Pour une introduction à la calculatrice symbo- lique TI-Nspire ou pour de l"aide sur son utilisation, nous vous suggérons de regarder la

chaîneVUnETS- Vidéos sur l"utilisation de nspire à l"ÉTSetdevisiterlesiteconçuspécialementpour

les étudiantes et étudiants de l"ÉTS:http://www.seg.etsmtl.ca/nspire/home.html.

AVANT-PROPOSix

Liens intéressants

Une version en ligne du présent texte, avec hyperliens et en couleurs, est disponible sur le site de Geneviève Savardhttps://cours.etsmtl.ca/seg/GSAVARD/MAT145V2.pdfet sur le site Moodlehttps://ena.etsmtl.ca/course/view.php?id=93. Si vous désirez une version

papier, nous vous conseillons de vous la procurer à la Coop ÉTS plutôt que d"imprimer la version

PDF: la résolution sera meilleure en général, particulièrement celle des graphiques. Si une image vaut mille mots, combien de mots vaut une animation? Visionnez des anima- tions illustrant des concepts mathématiques aux adresses suivantes:https://cours.etsmtl. rmichaud/RepertoireNspire.html. Le répertoire de Robert Michaud contient des centaines

de fichiers en format tns (pour le logiciel ou la calculatrice Nspire) qui sont directement en lien avec

les exercices que nous vous proposons ici.

L"ensemble du document a été rédigé avec l"éditeur de texte TeXnicCenter et le logiciel MikTex,

une version Windows du traitement de texte scientifique T

EX (de Donald Knuth) et de son préproces-

seur L ATEX (de Leslie Lamport). Ces logiciels sont gratuits. Voir le site de logiciels libreshttp://www. framasoft.net/article1002.html.

Quelques graphiques de ce recueil d"exercices ont été réalisés à l"aide du logicielGraph, un

ATEX,avecPSTricksetPSTricks-addde

Herbert Voss, que nous tenons à remercier pour ses puissantes librairies et pour son empressement

à répondre à nos questions sur leur utilisation et leur développement. Voirhttp://tug.org/

PSTricks/main.cgi.

Remarque aux enseignants concernant la version d"août 2018

exemples et exercices sur les sujets suivants, ce qui entraîne une modification de la numérotation:

• intégration par substitution: # 4.43 et # 4.44 • fonctions spéciales: # 4.39 et # 4.40

• intégration par parties: exemples 4.21 et 4.22, interprétation graphique (page 64), # 4.53

• calcul d"aire avec bornes variables: # 5.5

• poussée d"Archimède: les données du # 5.6 ont été modifiées (plus grosbateau)

• calcul du volume d"un solide troué: nouvelles figures à l"exemple5.6, avec lien vers fichier Nspire pour

animer la construction • calcul de volume avec bornes variables: # 5.18 • séries alternées: figure illustrant le théorème 6.2, # 6.11

• approximation d"une intégrale définie à l"aide d"un polynôme de Taylor: exemple 6.31, # 6.21.

Nous avons aussi mis à jour l"Aide-mémoire TI-Nspire et lui avons ajouté les sections: xAVANT-PROPOS

•Sommes de droite et de gauche(A.2.3) (notez que la syntaxe proposée à été modifiée)

•Comment rendre une fonction accessible dans tous les classeurs(A.2.4) •Utilisation de l"éditeur de programmes(A.2.5). Finalement, nous avons décidé d"indiquer les exercices qui doivent être faits à la main.

Pour le reste, il s"agit essentiellement de corrections mineures, de reformulations ou de précisions

supplémentaires ajoutées suite aux suggestions des étudiants et enseignants de l"ÉTS, en particulier

de M. Louis-Xavier Proulx, M. Xavier Provençal et Mme Anouk Bergeron-Brlek. En terminant, nous tenons à remercier Mme Anouk Bergeron-Brlek et M. Alain Hénault pour leur révision de cette nouvelle version.

Remarque concernant la version d"août 2021

Cette version ne comporte que des modifications mineures visantà corriger les coquilles détec- tées. La numérotation des exemples et exercices demeure la même. C"est aussi l"occasion de rendre hommage à titre posthume à mon collègue Robert Michaud.

Son humour, sa gentillesse, son intégrité, sa rigueur, sa passion tranquille et les fruits de son travail

continueront de m"accompagner sur ma route. Bob, merci de toutcoeur!

Remarque concernant la version de janvier 2023

Cette version ne comporte que des modifications mineures visantà corriger quelques éléments graphiquesqui apparaissaientmaldansl"éditionde2021. La numérotationdesexemples etexercices demeure la même. Merci de continuer à nous signaler erreurs et suggestions.

Geneviève Savard

Chapitre 4L"intégrale

Comment concevoir la pratique de l"ingénierie sans les outils mathématiques essentiels que sont

les calculs de longueur, d"aire et de volume? De tout temps, lesmathématiciens ont cherché à déve-

lopper ces outils; pensons aux formules donnant l"aire d"un triangle, la longueur de la circonférence

d"un cercle, son aire, le volume d"une pyramide, l"aire d"une section d"ellipse ou la longueur de son

arc... Au 2

emillénaire av. J.-C., les Babyloniens et les Égyptiens savaient déjà calculer l"aire d"un

triangle. Au 3 esiècle av. J.-C., Archimède découvrit la formule donnant l"aire sous une parabole.

2emillénaire av. J.-C. 3esiècle av. J.-C. 17esiècle

Mais c"est l"arrivée du calcul différentiel et intégral au 17 esiècle qui a enfin fourni une façon

systématique de calculer l"aire d"une région de forme quelconque, de même que la longueur d"une

courbe et le volume d"un solide. xyquotesdbs_dbs45.pdfusesText_45

[PDF] calcul différentiel et intégral notes de cours