∫Primitives et intégration

Cours de mathématiques · Terminale

Primitives (définition, primitives usuelles), intégrale ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx comme aire algébrique, propriétés (linéarité, relation de Chasles, positivité), valeur moyenne et intégration par parties.

Ce que tu vas savoir faire

  • ✓Définir une primitive et reconnaître les primitives usuelles.
  • ✓Calculer une intégrale ∫abf\int_a^b f à l'aide d'une primitive.
  • ✓Interpréter l'intégrale comme une aire algébrique.
  • ✓Utiliser les propriétés de l'intégrale (linéarité, Chasles, positivité).
  • ✓Calculer une valeur moyenne et appliquer l'intégration par parties.

Définition d'une primitive

Règle

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II. Une fonction FF dérivable sur II est une primitive de ff sur II lorsque :

F′(x)=f(x)pour tout x∈I.F'(x) = f(x) \quad \text{pour tout } x \in I.

Si FF est une primitive de ff, alors toutes les primitives de ff sur II s'écrivent F(x)+kF(x) + k, où kk est une constante réelle. Deux primitives d'une même fonction diffèrent donc d'une constante. Il existe une unique primitive prenant une valeur imposée en un point donné.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi deux primitives de ff ne diffèrent-elles que d'une constante ? Si F′=fF'=f et G′=fG'=f, alors la fonction écart G−FG-F a pour dérivée (G−F)′=f−f=0(G-F)' = f-f = 0. Or, sur un intervalle, une fonction dont la dérivée est nulle partout ne peut pas monter ni descendre : elle est forcément constante. Donc G−F=kG-F=k, c'est-à-dire G=F+kG=F+k. C'est pour ça qu'une seule valeur imposée en un point suffit à fixer kk, et donc à choisir une unique primitive.

Méthode

Pour vérifier que FF est une primitive de ff :

  1. Dérive FF.
  2. Vérifie que F′(x)=f(x)F'(x) = f(x) sur tout l'intervalle.
  3. Pour trouver la primitive valant y0y_0 en x0x_0, écris F(x)+kF(x)+k et résous F(x0)+k=y0F(x_0)+k = y_0.
Exemple

Vérifions que F(x)=x33F(x) = \dfrac{x^3}{3} est une primitive de f(x)=x2f(x) = x^2.

On dérive : F′(x)=3x23=x2=f(x)F'(x) = \dfrac{3x^2}{3} = x^2 = f(x). C'est donc bien une primitive.

Toutes les primitives de x2x^2 sont x33+k\dfrac{x^3}{3} + k.

Astuce

Une primitive, c'est « l'inverse » d'une dérivée. Pour vérifier ton calcul de primitive, dérive ton résultat : tu dois retomber sur la fonction de départ.

Primitives usuelles

Règle

Voici les primitives à connaître (à une constante kk près) :

f(x)=xn  (n≠−1)  ⇒  F(x)=xn+1n+1,f(x)=1x  (x>0)  ⇒  F(x)=ln⁡x,f(x) = x^{n} \;(n \neq -1) \;\Rightarrow\; F(x) = \dfrac{x^{n+1}}{n+1}, \qquad f(x) = \dfrac{1}{x} \;(x>0) \;\Rightarrow\; F(x) = \ln x,

f(x)=ex  ⇒  F(x)=ex,f(x)=cos⁡x  ⇒  F(x)=sin⁡x,f(x)=sin⁡x  ⇒  F(x)=−cos⁡x.f(x) = e^{x} \;\Rightarrow\; F(x) = e^{x}, \qquad f(x) = \cos x \;\Rightarrow\; F(x) = \sin x, \qquad f(x) = \sin x \;\Rightarrow\; F(x) = -\cos x.

Pour les composées : une primitive de u′euu'e^{u} est eue^{u}, et une primitive de u′u\dfrac{u'}{u} (avec u>0u > 0) est ln⁡u\ln u.

Méthode

Pour trouver une primitive de xnx^n :

  1. Augmente l'exposant de 11 : n→n+1n \to n+1.
  2. Divise par le nouvel exposant : xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1}.
  3. Ajoute la constante +k+k si on cherche toutes les primitives.
Exemple

Cherchons une primitive de f(x)=x3f(x) = x^3.

On augmente l'exposant (3→43 \to 4) et on divise par 44 :

F(x)=x44.F(x) = \dfrac{x^4}{4}.

Vérification : F′(x)=4x34=x3=f(x).F'(x) = \dfrac{4x^3}{4} = x^3 = f(x).

Astuce

Cas particulier crucial : la primitive de 1x\dfrac{1}{x} n'est pas une puissance, c'est ln⁡x\ln x. La formule xn+1n+1\dfrac{x^{n+1}}{n+1} ne marche pas pour n=−1n = -1 (division par 00).

Intégrale et aire

Règle

Soit ff une fonction continue sur [a ; b][a\,;\,b] et FF une primitive de ff. L'intégrale de ff entre aa et bb est :

∫abf(x) dx=F(b)−F(a)=[F(x)]ab.\int_{a}^{b} f(x)\,dx = F(b) - F(a) = \left[F(x)\right]_{a}^{b}.

Ce nombre ne dépend pas de la primitive choisie (la constante kk se simplifie). Si f⩾0f \geqslant 0 sur [a ; b][a\,;\,b], alors ∫abf(x) dx\int_a^b f(x)\,dx est l'aire (en unités d'aire) du domaine compris entre la courbe, l'axe des abscisses et les droites x=ax = a et x=bx = b.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? Pourquoi l'aire se calcule-t-elle avec F(b)−F(a)F(b)-F(a) ? Note A(x)A(x) l'aire sous la courbe de aa jusqu'à xx (avec f⩾0f\geqslant 0). Quand on avance d'un petit pas hh, on rajoute une fine bande de largeur hh et de hauteur quasi f(x)f(x), donc A(x+h)−A(x)≈h f(x)A(x+h)-A(x)\approx h\,f(x) : en divisant par hh, on obtient A′(x)=f(x)A'(x)=f(x). L'aire AA est donc une primitive de ff ! Comme A(a)=0A(a)=0, l'aire jusqu'à bb vaut A(b)=A(b)−A(a)=F(b)−F(a)A(b)=A(b)-A(a)=F(b)-F(a) pour n'importe quelle primitive FF (la constante se simplifie).

Méthode

Pour calculer ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx :

  1. Détermine une primitive FF de ff.
  2. Calcule F(b)F(b) puis F(a)F(a).
  3. Fais la différence F(b)−F(a)F(b) - F(a) (toujours « valeur en haut moins valeur en bas »).
Exemple

Calculons ∫012x dx\displaystyle\int_0^1 2x\,dx.

Une primitive de 2x2x est F(x)=x2F(x) = x^2 (car (x2)′=2x(x^2)' = 2x).

∫012x dx=[x2]01=12−02=1−0=1.\int_0^1 2x\,dx = \left[x^2\right]_0^1 = 1^2 - 0^2 = 1 - 0 = 1.

Géométriquement, c'est l'aire d'un triangle de base 11 et de hauteur 22 : 1×22=1\dfrac{1 \times 2}{2} = 1. Cohérent.

Astuce

Ordre des bornes : ∫ab=−∫ba\int_a^b = -\int_b^a. Si tu inverses les bornes par erreur, le signe change. La borne du haut correspond toujours à F(b)F(b).

Propriétés de l'intégrale

Règle

Pour ff, gg continues sur [a ; b][a\,;\,b] et λ\lambda réel :

Linéarité : ∫ab(f+g)=∫abf+∫abg\displaystyle\int_a^b \big(f+g\big) = \int_a^b f + \int_a^b g et ∫abλf=λ∫abf\displaystyle\int_a^b \lambda f = \lambda \int_a^b f.

Relation de Chasles : pour c∈[a ; b]c \in [a\,;\,b], ∫abf=∫acf+∫cbf\displaystyle\int_a^b f = \int_a^c f + \int_c^b f.

Positivité : si f⩾0f \geqslant 0 sur [a ; b][a\,;\,b] (avec a⩽ba \leqslant b), alors ∫abf⩾0\displaystyle\int_a^b f \geqslant 0. Plus généralement, si f⩽gf \leqslant g, alors ∫abf⩽∫abg\int_a^b f \leqslant \int_a^b g (croissance).

Méthode

Pour calculer une intégrale d'une somme ou d'un multiple :

  1. Sépare l'intégrale terme à terme (linéarité).
  2. Sors les constantes multiplicatives devant le signe ∫\int.
  3. Calcule chaque morceau séparément, puis additionne.
Exemple

Calculons ∫01(3x2+2x) dx\displaystyle\int_0^1 \big(3x^2 + 2x\big)\,dx.

Par linéarité : ∫013x2 dx+∫012x dx\displaystyle\int_0^1 3x^2\,dx + \int_0^1 2x\,dx.

Or ∫013x2 dx=[x3]01=1\int_0^1 3x^2\,dx = \left[x^3\right]_0^1 = 1 et ∫012x dx=[x2]01=1\int_0^1 2x\,dx = \left[x^2\right]_0^1 = 1.

Total : 1+1=2.1 + 1 = 2.

Astuce

La positivité ne marche que si a⩽ba \leqslant b. Avec les bornes dans le bon ordre, une fonction positive donne une intégrale positive : un bon test de cohérence.

Valeur moyenne d'une fonction

Règle

Soit ff continue sur [a ; b][a\,;\,b] avec a<ba < b. La valeur moyenne de ff sur [a ; b][a\,;\,b] est :

μ=1b−a∫abf(x) dx.\mu = \dfrac{1}{b - a}\int_{a}^{b} f(x)\,dx.

C'est la hauteur du rectangle de base [a ; b][a\,;\,b] qui aurait la même aire que celle sous la courbe de ff. Si ff représente une grandeur physique (vitesse, température…), μ\mu en est la moyenne sur l'intervalle.

Méthode

Pour calculer la valeur moyenne de ff sur [a ; b][a\,;\,b] :

  1. Calcule l'intégrale ∫abf(x) dx\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx.
  2. Divise le résultat par la longueur b−ab - a de l'intervalle.
  3. Le nombre obtenu est la « hauteur moyenne » de la courbe.
Exemple

Valeur moyenne de f(x)=x2f(x) = x^2 sur [0 ; 3][0\,;\,3].

∫03x2 dx=[x33]03=273−0=9.\displaystyle\int_0^3 x^2\,dx = \left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^3 = \dfrac{27}{3} - 0 = 9.

Puis μ=13−0×9=93=3.\mu = \dfrac{1}{3 - 0} \times 9 = \dfrac{9}{3} = 3.

La valeur moyenne de x2x^2 sur [0 ; 3][0\,;\,3] est donc 33.

Astuce

N'oublie jamais le facteur 1b−a\dfrac{1}{b-a} ! Une valeur moyenne est une intégrale divisée par la longueur de l'intervalle, pas l'intégrale toute seule.

Intégration par parties

Règle

Soient uu et vv deux fonctions dérivables, à dérivées continues sur [a ; b][a\,;\,b]. La formule d'intégration par parties (IPP) est :

∫abu′(x) v(x) dx=[u(x) v(x)]ab−∫abu(x) v′(x) dx.\int_{a}^{b} u'(x)\,v(x)\,dx = \Big[u(x)\,v(x)\Big]_{a}^{b} - \int_{a}^{b} u(x)\,v'(x)\,dx.

Elle découle de la dérivée d'un produit (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'. On l'utilise pour intégrer un produit, en particulier x exx\,e^{x} ou ln⁡x\ln x, en choisissant u′u' et vv de façon à simplifier la nouvelle intégrale.

⭐ Pour les curieux — pourquoi ça marche ? La formule n'est qu'une réécriture de la dérivée d'un produit. On part de (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'. On intègre les deux côtés de aa à bb : à gauche, uvuv est une primitive de (uv)′(uv)', donc ∫ab(uv)′=[uv]ab\int_a^b (uv)' = \big[uv\big]_a^b. À droite, par linéarité, ∫abu′v+∫abuv′\int_a^b u'v + \int_a^b uv'. On obtient [uv]ab=∫abu′v+∫abuv′\big[uv\big]_a^b = \int_a^b u'v + \int_a^b uv', et il suffit de faire passer le dernier terme de l'autre côté pour retrouver l'IPP. Rien de magique : c'est la règle du produit lue à l'envers.

Méthode

Pour appliquer l'IPP à ∫abu′v dx\displaystyle\int_a^b u'v\,dx :

  1. Choisis vv (à dériver, pour le simplifier) et u′u' (à primitiver).
  2. Calcule v′v' et uu.
  3. Applique la formule, puis calcule la nouvelle intégrale ∫uv′\int u v', en principe plus simple.
Exemple

Calculons ∫01x ex dx\displaystyle\int_0^1 x\,e^{x}\,dx.

On pose v(x)=xv(x) = x (donc v′(x)=1v'(x) = 1) et u′(x)=exu'(x) = e^x (donc u(x)=exu(x) = e^x).

∫01xex dx=[xex]01−∫011⋅ex dx=[xex]01−[ex]01.\displaystyle\int_0^1 x e^x\,dx = \big[x e^x\big]_0^1 - \int_0^1 1 \cdot e^x\,dx = \big[x e^x\big]_0^1 - \big[e^x\big]_0^1.

[xex]01=1⋅e1−0⋅e0=e\big[x e^x\big]_0^1 = 1 \cdot e^1 - 0 \cdot e^0 = e et [ex]01=e−1\big[e^x\big]_0^1 = e - 1.

Résultat : e−(e−1)=1.e - (e - 1) = 1.

Astuce

Bonne habitude : choisis pour vv le facteur qui se simplifie en dérivant (par exemple xx devient 11, ln⁡x\ln x devient 1x\dfrac{1}{x}). L'autre facteur sera u′u'.

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