Exercices - Calcul d'intégrales : corrigé Intégration par parties - Changements de variable Exercice 1 - Changements de variables - Niveau 1 - L1/Math Sup - ⋆
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Exercices - Calcul d'intégrales : corrigé Intégration par parties - Changements de variable Exercice 1 - Changements de variables - Niveau 1 - L1/Math Sup - ⋆
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Exercice 22 24 La règle de Bioche indique qu'il faut utiliser (pour les deux intégrales) le changement de variables u = cosx qui est C1 sur R du = −sin (x) dx
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gα,β = 1/fα,β est intégrable sur [0,π] Le changement de variable t = tan x est approprié lorsque l'intégrande est périodique de période π On obtient: ∫ π 0 dx
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Exercices - Calcul d"intégrales: corrigéIntégration par parties - Changements de variable Exercice 1- Changements de variables - Niveau 1-L1/Math Sup-?
1. La fonctiont?→⎷test une bijection de classeC1de[1,4]sur[1,2]. On peut donc poser
u=⎷t. Lorsquet= 1,u= 1et lorsquet= 4,uvaut 2. De plus, on a1-⎷t⎷t
=1-uu et u=⎷t=?t=u2=?dt= 2udu.On en déduit que
411-⎷t
t dt=? 2 11-uu 2udu 21(2-2u)du
2u-u2?2
1=-12. La fonctionx?→exréalise une bijection de[1,2]sur[e,e2]. Effectuons le changement de
variablesu=exdans l"intégrale, de sorte quedu=exdx. Il vient 2 1e x1 +exdx=? e2 edu1 +u=?ln|1 +u|?e2 e= ln?1 +e21 +e? Exercice 2- Changements de variables - Niveau 2-L1/Math Sup-??1. La fonctionx?→lnxréalise une bijection de[1,e]sur[0,1]. On pose doncu= lnxde
sorte quedu=dxx . De plus, lorsquexvaut 1,uvaut 0 et lorsquexvaute,uvaut1. On trouve donc ?e1(lnx)nx
dx=? 1 0undu1n+ 1.
2. La fonction à intégrer est définie et continue sur]0,+∞[. On se limite donc à calculer
l"intégrale recherchée pourx >0. La fonctiont?→⎷e t-1est une bijection de[1,x]sur [⎷e-1,⎷e x-1]. Posantu=⎷e t-1, on a du=et2 ⎷e t-1dt d"oùF(x) = 2?
⎷e x-1 ⎷e-1duu2+ 4= arctan?
⎷e x-12 -arctan? ⎷e-12 .http://www.bibmath.net1Exercices - Calcul d"intégrales: corrigéExercice 3- Changements de variables - Recherche de primitives-L1/Math Sup-
1. La fonctionx?→lnxx
est définie et continue sur]0,+∞[, intervalle sur lequel on cherche à calculer une primitive. Pour cela, on fait le changement de variablesu= lnx, de sorte quedu=dxx et on trouve ?lnxx dx=? udu 12 u2+C 12 (lnx)2+C.2. La fonctionx?→cos(⎷x)est définie et continue sur]0,+∞[, intervalle sur lequel on cherche
à calculer une primitive. Pour cela, on effectue le changement de variablesu=⎷x, de sorte quex=u2ou encoredx= 2udu. On trouve alors cos(⎷x)dx= 2? ucos(u)du = 2[usinu]-2? sin(u)du = 2usinu+ 2cosu+C = 2⎷xsin(⎷x) + 2cos(⎷x) +C (on a aussi effectué une intégration par parties). Exercice 4- Intégration par parties - Niveau 1-L1/Math Sup-?1. La fonctionx?→arctanxétant continue surR, elle admet une primitive sur cet intervalle.
On intègre par parties en posant :
u(x) = arctanx u?(x) =1x2+1v?(x) = 1v(x) =x
de sorte que arctantdt=xarctanx-?xx 2+ 1. La primitive que l"on doit encore rechercher est de la formeg?/g, et donc arctantdt=xarctanx-12 ln(x2+ 1).2. La fonctionx?→(lnx)2étant continue sur]0,+∞[, elle admet des primitives sur cet
intervalle. On se restreint à cet intervalle et on intègre par parties en posant : u(x) = (lnx)2u?(x) = 2lnxx v?(x) = 1v(x) =xhttp://www.bibmath.net2 Exercices - Calcul d"intégrales: corrigéde sorte que (lnt)2dt=x(lnx)2-2? lntdt. Une primitive dex?→lnxétantx?→xlnx-x(résultat qui se retrouve en intégrant par parties), on trouve finalement qu"une primitive dex?→(lnx)2est x?→x(lnx)2-2xlnx+ 2x.3. On va intégrer par parties deux fois. On travaille sur l"intervalle]0,+∞[, là où la fonction
est bien définie et continue. On pose alors : u(x) = sin(lnx)u?(x) =1x cos(lnx) v ?(x) = 1v(x) =x de sorte que sin(lnx)dx=xsin(lnx)-? cos(lnx). On intègre une deuxième fois par parties en posant u1(x) = cos(lnx)u?1(x) =-1x
sin(lnx) v ?1(x) = 1v1(x) =x de sorte que cos(lnx)dx=xcos(lnx) +? sin(lnx).En mettant tout cela ensemble, on trouve
sin(lnx)dx=xsin(lnx)-xcos(lnx)-? sin(lnx) soit sin(lnx) =x2 ?sin(lnx)-cos(lnx)?. Exercice 5- Intégration par parties - Niveau 2-L1/Math Sup-??1. On intègre par parties, en posantu?(x) =xetv(x) = (arctanx)2. On av?(x) =2arctan(x)x
2+1, et ceci nous incite à considérer comme primitive deu?la fonctionu(x) =12 (x2+1), ce qui va simplifier les calculs. On obtient alors I=12 ?(x2+ 1)(arctanx)2?1 0-? 10arctanx.
On calcule la dernière intégrale en réalisant à nouveau une intégration par parties, et on
trouve :I=π216
-?xarctanx?1 0+? 1 0xx2+ 1dx
π216
-π4 +12 ?ln(x2+ 1)?1 0π216
-π4 +12 ln2.http://www.bibmath.net3Exercices - Calcul d"intégrales: corrigé2. La fonctionf:x?→xlnx(x2+1)2est continue sur]0,1], et elle tend vers 0 en 0. On peut donc
la prolonger par continuité à[0,1]en posantf(0) = 0, ce qui donne un sens àJ. Pour calculer cette intégrale, on va intégrer par parties entrea >0et1, pour ne pas être gêné par les problèmes en 0. On pose doncJ(a) =?1 axlnx(x2+1)2, puis : u(x) = (lnx)v?(x) =x(x2+1)2 u ?(x) =1x v(x) =-12(x2+1) ce qui donneJ(a) =?
-lnx2(x2+ 1)? 1 a +12 1 adxx(x2+ 1).De plus,
1x(x2+ 1)=1x
-xx 2+ 1 de sorte que 1 adxx(x2+ 1)=? lnx-12 ln(x2+ 1)? 1 a =-12 ln2-ln(a) +12 ln(1 +a2).On obtient donc que
J(a) =lna2(a2+ 1)-ln24
-lna2 +14 ln(1 +a2). Reste à faire tendreavers 0. Pour cela, on factorise parlna, et on trouveJ(a) =-a2ln(a)2(a2+ 1)-ln24
+14 ln(1 +a2). Commea2ln(a)tend vers 0 lorsqueatend vers 0, de même queln(1 +a2), on conclut finalement queJ=-ln24
Exercice 6- Une suite d"intégrales-L1/Math Sup-?? Pour(n,p)?N?×N, l"applicationx?→xn(lnx)pest définie et continue sur]0,1]. De plus,les théorèmes de comparaison usuels entraînent que cette fonction se prolonge par continuité en
0 (remarquons l"importance den >0). Ceci justifie l"existence deIn,p. Pour calculerIn,p, nous
allons réaliser une intégration par parties. On la réalise entrea >0et1, pour prendre garde au fait que la fonction logarithme n"est pas définie en 0. On remarque aussi queIn,0=1n+1, et donc il suffit de traiter le casp >0.On pose donc
I n,p(a) =? a0xn(lnx)pdx
puis u(x) = (lnx)pv?(x) =xn u ?(x) =p(lnx)p-1x v(x) =xn+1n+1.http://www.bibmath.net4 Exercices - Calcul d"intégrales: corrigéOn trouve alors, I n,p(a) =1n+ 1? xn+1(lnx)p?1 a-pn+ 1? 1 axn(lnx)p-1dx=-an+1n+ 1-pn+ 1In,p-1. On passe à la limite en faisant tendreavers 0, et on trouve : I n,p=-pn+ 1In,p-1.On trouve alors
In,p=(-p)×(-(p-1))× ··· ×(-1)(n+ 1)×(n+ 1)× ··· ×(n+ 1)In,0=(-1)pp!(n+ 1)p×1n+ 1=(-1)pp!(n+ 1)p+1.
Exercice 7- Une autre suite d"intégrales-L1/Math Sup-??On pose, pour(α,β,n,m)?R2×N2,
I m,n=?α(t-α)m(t-β)ndt.
On intègre par parties pour obtenir une relation entreIm,netIm-1,n+1, et on trouve I m,n=? (t-α)m(t-β)n+1n+ 1? -mn+ 1?α(t-α)m-1(t-β)n+1dt
=-mn+ 1Im-1,n+1.D"autre part, pour toutp?N, on a
I 0,p=?α(t-α)pdt=-(α-β)p+1p+ 1.
Une récurrence immédiate donne alors
I m,n= (-1)m+1m(m-1)...1(n+ 1)(n+ 2)...(n+m)(α-β)m+n+1m+n+ 1. En particulier, l"intégrale recherché vautIn,n, c"est-à-dire I n,n= (-1)n+1n!(n+ 1)...(2n)(α-β)2n+12n+ 1= (-1)n+1(α-β)2n+1(2n+ 1)?2n n?Fractions rationnelles
Exercice 8- Fractions rationelles - Niveau 1-L1/Math Sup-?http://www.bibmath.net5Exercices - Calcul d"intégrales: corrigé1. On commence par faire apparaître au numérateur la dérivée du dénominateur.
3x+ 2x
2+x+ 1=32
×2x+ 1x
2+x+ 1+12
×1x
2+x+ 1.
On intègre alors. Pour la première partie, c"est facile, car : ?2x+ 1x2+x+ 1= ln|x2+x+ 1|.
Pour la seconde, on se ramène à écrire le dénominateur sous la formeX2+ω2, ce qui nécessite en plus un changement de variables. Ici, on ax2+x+ 1 =? x+12 2+34 soit, avec le changement de variablesu=x+ 1/2, ?dxx2+x+ 1=?duu
2+? ⎷3 22=2⎷3
arctan?2u⎷3 =2⎷3 arctan?2x+ 1⎷3 Finalement, une primitive de la fonction recherchée est x?→32 ln|x2+x+ 1|+1⎷3 arctan?2x+ 1⎷32. C"est plus facile, car le numérateur est une constante. On écrit simplement quex2+4x+5 =
(x+ 2)2+ 1et la méthode précédente donne ?dxx2+ 4x+ 5= arctan(x+ 2).
3. On commence par effectuer la division euclidienne du numérateur par le dénominateur.
On trouve que
x3+ 2x= (x-1)(x2+x+ 1) + 2x+ 1
d"oùx3+ 2xx2+x+ 1=x-1 +2x+ 1x
2+x+ 1.
Une primitive est donc la fonction
x?→x22 -x+ ln|x2+x+ 1|.4. On sait que la fraction rationnelle peut s"écrire
2x-1(x+ 1)2=ax+ 1+b(x+ 1)2.
Par identification (par exemple...), on trouve quea= 2etb=-3. Une primitive de la fonction est donc x?→2ln|x+ 1|+3x+ 1. Exercice 9- Fractions rationelles - Niveau 2-L1/Math Sup-?http://www.bibmath.net6Exercices - Calcul d"intégrales: corrigé1. Le dénominateur se factorise en(x-1)(x2+x+ 1). On cherche alors à écrire
1x3-1=ax-1+bx+cx
2+x+ 1.
Par identification (par exemple...) on trouvea= 1/3,b=-1/3etc=-2/3, soit 1x3-1=13
×1x-1-13
×x+ 2x
2+x+ 1.
On cherche alors à faire apparaître la dérivée dex2+x+ 1pour faciliter l"intégration, et
on trouve1x3-1=13
×1x-1-16
×2x+ 1x
2+x+ 1-12
×1x
2+x+ 1.
Pour intégrer le dernier terme, on écrit
x2+x+ 1 =?
x+12 2 ⎷3 2 2 ce qui donne finalement qu"une primitive de la fonction est x?→13 ln|x-1| -16 ln|x2+x+ 1| -1⎷3 arctan?2x+ 1⎷32. C"est assez difficile si on ne pense pas à faire un changement de variables. On peut en
effet poseru=x2, et ?x(x2-4)2dx=121(u-4)2du=-12(u-4)=-12(x2-4).
Exercice 10- Grande puissance-L1/Math Sup-??
Une intégration par parties donne
I n=?x(x2+ 1)n? 1 0 + 2n? 10x(x2+ 1)n+1dx=12
n+ 2n? 10x(x2+ 1)n+1dx.
Or, ?1 0x2(x2+ 1)n+1=?
1 0x2+ 1(x2+ 1)n+1-?
101(x2+ 1)n+1dx=In-In+1.
Regroupant les termes, on trouve
2nIn+1= (2n-1)In+12
n??In+1=2n-12nIn+1n2n+1.Sachant queI1=π4
, on trouve I2=π8
+14 etI3=3π32 +14 Avec la fonction exponentiellehttp://www.bibmath.net7Exercices - Calcul d"intégrales: corrigéExercice 11- Fonction exponentielle - Niveau 1-Math Sup/L1-?
1. La fonctionx?→1coshxest continue surR(le dénominateur ne s"annule pas). Une primitive
est par exemple la fonctionFdéfinie par x?→? x01coshtdt=?
x02et1 +etdt.
On calcule cette intégrale à l"aide du changement de variablesu=et(la fonctiont?→et est une bijection de classeC1de[0,x]sur[1,ex], de bijection réciproqueu?→lnu). On en déduit queF(x) =?
ex12du1 +u2=?2arctan(u)?ex
1= 2arctan(ex)-π2
2. On réalise là-aussi le changement de variablesu=ex,du=exdxsoitdx=du/uet on
trouve :?11 +exdx=?1u(1 +u)du ?1u -11 +u? du = ln ?u1 +u? +C = ln ?ex1 +ex? +C.3. On peut intégrer par parties, ou rechercher une primitive de la même forme, c"est-à-dire
une fonctionF:x?→ex(ax3+bx2+cx+d). On a alors F ?(x) =ex?ax3+ (3a+b)x2+ (2b+c)x+ (c+d)?. Par identification, on trouve queFest une primitive dex?→ex(2x3+3x2-x+1)lorsque a= 2,3a+b=-3,2b+c= 5etc+d= 1, soita= 2,b=-3,c= 5etd=-4. Les primitives sont donc les fonctions x?→ex(2x3-3x2+ 5x-4) +C. Exercice 12- Fonction exponentielle - Niveau 2-Math Sup/L1-?1. On poseu=ex, de sorte que
?coshx-1coshx+ 1exdx=?u2-2u+ 1u2+ 2u+ 1du
du-?4u(u+ 1)2du =u-?4u+ 1+?4(u+ 1)2 =u-4ln(1 +u)-41 +u+C =ex-4ln(1 +ex)-41 +ex+C.http://www.bibmath.net8Exercices - Calcul d"intégrales: corrigé2. Le changement de variables le plus malin ici estu= sinhx, de sorte que
dxcoshx=coshxdxcosh2x=du1 +u2.
On en déduit :
?1coshx(1 + sinhx)dx=?du(1 +u2)(1 +u) =?-u/2 + 1/2u2+ 1du+?1/21 +udu
-14 2uu2+ 1du+?12
duu2+ 1+12
ln|1 +u| -14 ln(u2+ 1) +12 arctan(u) +12 ln|1 +u|+C -12 ln(coshx) +12 arctan(sinhx) +12 ln|1 + sinhx|+C. Exercice 13- Exponentielle et trigonométrique-Math Sup/L1-?1.Iest égal à?e(J)avecJ=?π
0x2e(1+i)x(on a posécosx=?e(eix)). En intégrant par
parties, on trouveJ=?x2e(1+i)x1 +i?
0 -21 +i?0xe(1+i)xdx
=-π2eπ1 +i-21 +i?0xe(1+i)xdx.
On fait une deuxième intégration par parties pour calculer cette dernière intégrale, et on
trouve