Chargement…

Terminale D · Leçon 8

Calcul intégral

Ce que dit le programme officiel (17 points)
  • Intégrale d’une fonction continue sur un intervalle : définition
  • Propriétés : relation de Chasles ; linéarité ; positivité ; inégalité de la moyenne
  • Valeur moyenne d’une fonction
  • Définir l’intégrale d’une fonction
  • Utiliser les propriétés de l’intégrale dans la résolution des problèmes
  • Limite : la théorie de l’intégrale de Riemann est hors programme ; l’intégrale de a à b d’une fonction f continue sur un intervalle I est définie comme le réel F(b) – F(a), indépendant du choix de la primitive F
  • Techniques de calcul intégral : intégration par primitivation
  • Intégration par changement de variable
  • Intégration par parties
  • Utiliser les techniques de calcul intégral (formules des primitives usuelles, intégration par parties, changement de variables affines) pour calculer des intégrales
  • Applications de l’intégration : encadrements à l’aide d’intégrales
  • Calcul d’aires
  • Calcul de volumes
  • Déterminer une valeur approchée d’une intégrale
  • Calculer l’aire d’un domaine plan
  • Calculer des volumes (pyramide, cône et boule)
  • Limite : on utilise la méthode des rectangles pour déterminer une valeur approchée d’une intégrale

Source : Programme de mathématiques, classe de Terminale D, ministère des Enseignements secondaires (Niger)

Intégrale : définition, linéarité, relation de Chasles

Définition — Intégrale définie

Soit \(f\) continue sur \([a\,;\,b]\) et \(F\) une primitive de \(f\) :

\[\int_{a}^{b}f(x)\,dx=\bigl[F(x)\bigr]_a^b=F(b)-F(a)\]

La constante \(C\) s'annule toujours dans une intégrale définie.

Exemples fondamentaux

\[\int_{1}^{3}2x\,dx=\bigl[x^2\bigr]_1^3=9-1=\boxed{8}\]

\[\int_{0}^{1}e^x\,dx=\bigl[e^x\bigr]_0^1=e-1\approx\boxed{1{,}718}\]

Linéarité

\[\int_{a}^{b}\bigl[kf(x)+\lambda g(x)\bigr]\,dx=k\int_{a}^{b}f\,dx+\lambda\int_{a}^{b}g\,dx\]

Relation de Chasles et inversion des bornes

\[\int_{a}^{b}f=\int_{a}^{c}f+\int_{c}^{b}f\qquad\int_{a}^{b}f=-\int_{b}^{a}f\qquad\int_{a}^{a}f=0\]

Ne jamais écrire +C dans une intégrale définie

La constante de primitive s'annule systématiquement lors de l'évaluation \(F(b)-F(a)\).

Figure interactive — Intégrale comme aire algébrique

Courbe f(x)
Aire positive
Aire négative
a = 0,0 b = 2,0 Résultat : ?

Déplacez a et b pour choisir l'intervalle d'intégration. La zone verte correspond aux parties positives (intégrale positive) et la zone brune aux parties négatives.

Valeur moyenne, intégrale et inégalités

Valeur moyenne

\[\mu=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b}f(x)\,dx\]

\(\mu\) est la hauteur du rectangle de base \([a\,;\,b]\) ayant la même aire que la région sous la courbe.

Exemple — Valeur moyenne de \(f(x)=x^2\) sur \([0\,;\,2]\)

\[\mu=\frac{1}{2}\int_0^2 x^2\,dx=\frac{1}{2}\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2=\frac{1}{2}\times\frac{8}{3}=\boxed{\frac{4}{3}}\]

Positivité et encadrement

\[f\geq 0\;\Rightarrow\;\int_a^b f\,dx\geq 0\qquad f\leq g\;\Rightarrow\;\int_a^b f\leq\int_a^b g\]

Si \(m\leq f(x)\leq M\) pour tout \(x\in[a\,;\,b]\) :

\[m(b-a)\leq\int_{a}^{b}f(x)\,dx\leq M(b-a)\]

Encadrement de \(\displaystyle\int_{0}^{1}e^x\,dx\)

Sur \([0\,;\,1]\) : \(1\leq e^x\leq e\) → \(1\leq\int_0^1 e^x\,dx\leq e\). Vérification : \(e-1\approx 1{,}718\in[1\,;\,e]\).

Primitives : définition, primitives usuelles

Définition — Primitive

\(F\) est une primitive de \(f\) sur \(I\) si \(F'(x)=f(x)\) pour tout \(x\in I\).

Toutes les primitives de \(f\) sont de la forme \(F(x)+C\) où \(C\in\mathbb{R}\).

Tableau des primitives fondamentales — à connaître par cœur
Fonction \(f(x)\)Primitive \(F(x)\)Condition
\(k\) (constante)\(kx\)
\(x^n\)\(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\)\(n\neq-1\)
\(\dfrac{1}{x}\)\(\ln|x|\)\(x\neq 0\)
\(e^x\)\(e^x\)
\(e^{ax+b}\)\(\dfrac{1}{a}e^{ax+b}\)\(a\neq 0\)
\(\cos(x)\)\(\sin(x)\)
\(\sin(x)\)\(-\cos(x)\)
\(\dfrac{1}{\sqrt{x}}\)\(2\sqrt{x}\)\(x>0\)
Ne pas oublier \(\frac{1}{a}\) pour \(e^{ax+b}\)

\(\displaystyle\int e^{2x}\,dx=\frac{1}{2}e^{2x}+C\) — vérification : \(\left(\frac{1}{2}e^{2x}\right)'=e^{2x}\)

Primitives de fonctions composées — reconnaître \(u'\cdot g(u)\)
FormePrimitiveCondition
\(u'\cdot u^n\)\(\dfrac{u^{n+1}}{n+1}\)\(n\neq-1\)
\(\dfrac{u'}{u}\)\(\ln|u|\)\(u\neq 0\)
\(u'\cdot e^u\)\(e^u\)
\(\dfrac{u'}{\sqrt{u}}\)\(2\sqrt{u}\)\(u>0\)
Exemples

\[\int 2x(x^2+1)^3\,dx=\frac{(x^2+1)^4}{4}+C\qquad\int\frac{2x}{x^2+1}\,dx=\ln(x^2+1)+C\qquad\int\frac{3}{3x-1}\,dx=\ln|3x-1|+C\]

Vérification systématique

Après avoir trouvé \(F(x)\), dérivez toujours pour vérifier \(F'(x)=f(x)\). 10 secondes de vérification = 2 points assurés.

Intégration par parties

Formule de l'IPP

\[\int_{a}^{b}u(x)\,v'(x)\,dx=\bigl[u(x)\,v(x)\bigr]_a^b-\int_{a}^{b}u'(x)\,v(x)\,dx\]

Méthode ALPES — Ordre de priorité pour choisir \(u(x)\)
A
Arctan
L
Log ln(x)
P
Polynôme
E
Expo eˣ
S
Sin / Cos

Prendre \(u\) parmi les premiers de la liste, \(v'\) parmi les derniers.

Exemple 1 — \(\displaystyle\int_{0}^{1}xe^x\,dx\)

\(u=x\) (P), \(v'=e^x\) (E) → \(u'=1\), \(v=e^x\)

\[\int_0^1 xe^x\,dx=\bigl[xe^x\bigr]_0^1-\int_0^1 e^x\,dx=e-\bigl[e^x\bigr]_0^1=e-(e-1)=\boxed{1}\]

Exemple 2 — \(\displaystyle\int_{1}^{e}\ln(x)\,dx\)

\(u=\ln x\) (L), \(v'=1\) → \(u'=\frac{1}{x}\), \(v=x\)

\[\int_1^e\ln x\,dx=\bigl[x\ln x\bigr]_1^e-\int_1^e 1\,dx=e-(e-1)=\boxed{1}\]

Les 3 erreurs classiques de l'IPP
  • Mal choisir \(u\) et \(v'\) — utiliser systématiquement ALPES
  • Oublier les bornes dans \([uv]_a^b\)
  • Oublier le signe − devant \(\int u'v\)

Figure interactive — Vérification graphique des intégrales IPP

Exact : 1 Numérique ≈ 1,000

L'aire verte est calculée numériquement et doit coïncider avec le résultat exact de l'IPP. C'est un moyen de vérifier son calcul sur copie.

Intégrale et aire, aire entre deux courbes

Interprétation géométrique

Si \(f\) est continue et positive sur \([a\,;\,b]\) :

\[\mathcal{A}=\int_{a}^{b}f(x)\,dx\quad\text{(en unités d'aire, u.a.)}\]

Les 3 cas à maîtriser
CasConditionFormule de l'aire
Cas 1\(f\geq 0\) sur \([a;b]\)\(\mathcal{A}=\displaystyle\int_a^b f\,dx\)
Cas 2\(f\leq 0\) sur \([a;b]\)\(\mathcal{A}=\left|\displaystyle\int_a^b f\,dx\right|\)
Cas 3\(f\) change de signe en \(c\)\(\mathcal{A}=\left|\displaystyle\int_a^c f\right|+\left|\displaystyle\int_c^b f\right|\)
Intégrale vs Aire — ne pas confondre

L'intégrale peut être négative. L'aire géométrique est toujours positive. Oublier la valeur absolue quand \(f<0\) est l'erreur numéro 1 dans les calculs d'aire au Bac.

Exemple — Changement de signe : \(f(x)=x\) sur \([-1\,;\,2]\)

\[\mathcal{A}_1=\left|\int_{-1}^{0}x\,dx\right|=\frac{1}{2}\qquad\mathcal{A}_2=\int_{0}^{2}x\,dx=2\qquad\mathcal{A}=\frac{1}{2}+2=\boxed{\frac{5}{2}\text{ u.a.}}\]

Aire entre deux courbes

Si \(f(x)\geq g(x)\) sur \([a\,;\,b]\) :

\[\mathcal{A}=\int_{a}^{b}\bigl[f(x)-g(x)\bigr]\,dx\]

Exemple — Aire entre \(f(x)=x\) et \(g(x)=x^2\) sur \([0\,;\,1]\)

\[\mathcal{A}=\int_{0}^{1}(x-x^2)\,dx=\left[\frac{x^2}{2}-\frac{x^3}{3}\right]_0^1=\frac{1}{2}-\frac{1}{3}=\boxed{\frac{1}{6}\text{ u.a.}}\]

Figure interactive — Aire entre deux courbes

f(x)
g(x)
f > g
f < g
Aire ≈ ? u.a. ∫(f−g) ≈ ?

L'aire géométrique (toujours positive) peut différer de l'intégrale algébrique ∫(f−g) quand les courbes se croisent. Observez la différence avec sin/cos.

Volumes de solides de révolution

Méthode — Aire entre deux courbes

Si \(f \ge g\) sur \([a\,;b]\), l'aire du domaine délimité par les deux courbes vaut \(\displaystyle\int_{a}^{b}\!\bigl(f(x)-g(x)\bigr)\,dx\) u.a. Quand les courbes se croisent, repérer les points d'intersection, puis découper l'intervalle avec la relation de Chasles.

Exemple 1 — Aire entre \(\sqrt{x}\) et \(x^2\)

Sur \([0\,;1]\), on a \(\sqrt{x} \ge x^2\) :

\[\mathcal{A} = \int_{0}^{1}\!\bigl(\sqrt{x} - x^{2}\bigr)\,dx = \left[\frac{2}{3}x^{3/2} - \frac{x^{3}}{3}\right]_{0}^{1} = \frac{2}{3} - \frac{1}{3} = \frac{1}{3}\ \text{u.a.}\]
Exemple 2 — Aire entre \(\sin x\) et \(\cos x\)

Sur \([0\,;\pi/2]\), les deux fonctions se croisent en \(x = \pi/4\). On applique Chasles :

\[\mathcal{A} = \int_{0}^{\pi/4}\!(\cos x - \sin x)\,dx + \int_{\pi/4}^{\pi/2}\!(\sin x - \cos x)\,dx = 2(\sqrt{2}-1)\ \text{u.a.}\]
Théorème — Volume d'un solide de révolution

Le solide engendré par la rotation autour de l'axe \((Ox)\) du domaine délimité par la courbe de \(f\) (continue, positive sur \([a\,;b]\)) et l'axe des abscisses a pour volume :

\[V = \pi\int_{a}^{b}\!\bigl[f(x)\bigr]^{2}\,dx.\]
Exemple classique — Volume de la sphère

On fait tourner \(f(x)=\sqrt{R^2-x^2}\) sur \([-R\,;R]\) :

\[V = \pi\int_{-R}^{R}\!\bigl(R^{2}-x^{2}\bigr)\,dx = \pi\left[R^{2}x - \frac{x^{3}}{3}\right]_{-R}^{R} = \frac{4}{3}\pi R^{3}.\]
Exemple — Cône

Rotation de \(f(x) = \dfrac{R}{h}x\) sur \([0\,;h]\) :

\[V_{\text{cône}} = \pi\int_{0}^{h}\!\frac{R^2}{h^2}x^2\,dx = \frac{\pi R^2}{h^2}\cdot\frac{h^3}{3} = \frac{1}{3}\pi R^2 h.\]

Aire entre deux courbes — choix interactif

\(f\)
\(g\)
aire \(\int(f-g)\)

Sélectionnez un exemple dans les contrôles

Aire = 0.3333 u.a.

La surface colorée représente l'aire algébrique entre les deux courbes. On l'obtient en intégrant la différence \(f - g\) (en valeur absolue si les courbes se croisent).

Encadrements et valeurs approchées

Rappel de Seconde

En pratique, un résultat exact est rarement utile tel quel : on travaille avec une valeur approchée, à une précision donnée. Le programme se limite volontairement à des encadrements simples — pas de recherche systématique de tous les majorants et minorants possibles.

Vocabulaire du calcul approché

Une valeur approchée d'un réel \(x\) à \(10^{-n}\) près est un réel \(a\) tel que \(|x - a| \le 10^{-n}\). L'approximation décimale d'ordre \(n\) par défaut de \(x\) est le plus grand décimal à \(n\) chiffres après la virgule inférieur ou égal à \(x\) ; par excès, le plus petit supérieur ou égal à \(x\). L'arrondi d'ordre \(n\) est la valeur approchée décimale à \(n\) chiffres la plus proche de \(x\).

Méthode — Encadrer une somme, un produit

Le programme se limite à l'encadrement d'une somme, d'une différence, d'un produit et d'un quotient de deux réels strictement positifs.

Somme et différence. Si \(3{,}1 \le x \le 3{,}2\) et \(1{,}4 \le y \le 1{,}5\), alors \(4{,}5 \le x+y \le 4{,}7\) (on additionne les bornes de même sens) et \(1{,}6 \le x - y \le 1{,}8\) (on soustrait les bornes opposées : minorant de \(x\) moins majorant de \(y\), et inversement).

Produit. Si \(2 \le x \le 2{,}1\) et \(5 \le y \le 5{,}2\) (deux réels strictement positifs), alors \(10 \le xy \le 10{,}92\) (produit des bornes inférieures d'un côté, des bornes supérieures de l'autre).

Quotient. Avec les mêmes encadrements, \(\dfrac{2}{5{,}2} \le \dfrac{x}{y} \le \dfrac{2{,}1}{5}\), c'est-à-dire \(0{,}384\ldots \le \dfrac{x}{y} \le 0{,}42\) (on divise par les bornes en croisant : borne inférieure de \(x\) sur borne supérieure de \(y\), et inversement).

Exemples gradués

Facile. \(\pi \approx 3{,}14\) est une valeur approchée de \(\pi\) à \(10^{-2}\) près par défaut ; \(3{,}15\) en est une par excès.

Intermédiaire. On donne \(1{,}41 \le \sqrt{2} \le 1{,}42\) et \(1{,}73 \le \sqrt{3} \le 1{,}74\). Encadrer \(\sqrt{2}+\sqrt{3}\) : \(3{,}14 \le \sqrt{2}+\sqrt{3} \le 3{,}16\).

Ordre de grandeur. Estimer \(\dfrac{4\,987 \times 0{,}0203}{9{,}8}\) sans calculatrice : on remplace par des valeurs proches simples, \(\dfrac{5\,000 \times 0{,}02}{10} = \dfrac{100}{10} = 10\). L'ordre de grandeur du résultat est \(10\).

Figure interactive — Encadrement d'une somme

Les deux intervalles bleus représentent \(x\) et \(y\) ; l'intervalle vert en dessous représente l'encadrement obtenu pour \(x + y\), largeur cumulée des deux.

Résumé

Résumé — Calcul Intégral
Formule fondamentale

\(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a)\) · La constante s'annule toujours

Propriétés

Linéarité · Chasles : \(\int_a^b=\int_a^c+\int_c^b\) · Inversion : \(\int_a^b=-\int_b^a\)

Aires

Si \(f\geq 0\) : \(\mathcal{A}=\int_a^b f\) · Si \(f\leq 0\) : \(\mathcal{A}=|\int_a^b f|\) · Entre 2 courbes : \(\int_a^b|f-g|\)

IPP & ALPES

\(\int uv'=[uv]-\int u'v\) · Choisir \(u\) : A→L→P→E→S

Valeur moyenne

\(\mu=\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f\,dx\) = hauteur du rectangle équivalent

Inégalités

Si \(m\leq f\leq M\) sur \([a;b]\) : \(m(b-a)\leq\int_a^b f\leq M(b-a)\)

Résumé — Calcul intégral
Définition

\(\displaystyle\int_a^b\!f = F(b)-F(a)\). Aire sous la courbe si \(f\ge0\) et \(a\le b\).

Propriétés

Linéarité, Chasles (pour tout \(c\)), positivité et croissance si \(a \le b\). \(\displaystyle\big|\int f\big|\le\int|f|\).

Valeur moyenne

\(\mu = \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b\!f\). Encadrée par le minimum et le maximum de \(f\).

IPP

\(\displaystyle\int u'v = [uv] - \int uv'\). Dériver ce qui se simplifie, intégrer ce qu'on connaît.

Aire entre courbes

\(\displaystyle\mathcal{A}=\int_a^b\!(f-g)\) avec \(f\ge g\). Chasles si les courbes se croisent.

Volume de révolution

\(V = \pi\displaystyle\int_a^b\![f(x)]^2\,dx\). Retrouver \(\frac{4}{3}\pi R^3\) et \(\frac{1}{3}\pi R^2 h\).

Sujet type Bac

Exercice type Bac — Étude et intégration

Soit \(f(x)=x\ln(x)\) sur \(]0\,;\,+\infty[\).

A. Étude de la fonction

\(f'(x)=\ln(x)+1\), annulée en \(x=\dfrac{1}{e}\). Minimum de \(-\dfrac{1}{e}\approx-0{,}368\).

\(x\)\(0^+\)\(\frac{1}{e}\)\(+\infty\)
\(f'(x)\) − 0 +
\(f(x)\) 0 ↘ \(-\frac{1}{e}\) ↗ \(+\infty\)

B. Calcul par IPP — \(\displaystyle\int_{1}^{e}x\ln(x)\,dx\)

\(u=\ln x\) (L), \(v'=x\) → \(u'=\dfrac{1}{x}\), \(v=\dfrac{x^2}{2}\)

\[\int_1^e x\ln x\,dx=\left[\frac{x^2}{2}\ln x\right]_1^e-\int_1^e\frac{x}{2}\,dx=\frac{e^2}{2}-\left[\frac{x^2}{4}\right]_1^e=\frac{e^2}{2}-\frac{e^2-1}{4}=\boxed{\frac{e^2+1}{4}}\]

C. Calcul d'aire

Sur \([1\,;\,e]\) : \(f(x)\geq 0\), donc \(\mathcal{A}=\dfrac{e^2+1}{4}\approx 2{,}097\) u.a.

Si 1 u. = 2 cm sur chaque axe : aire réelle \(=\dfrac{e^2+1}{4}\times 4=e^2+1\approx 8{,}389\) cm².

Fonction, primitives, IPP et volume de révolution

On considère \(f\) définie sur \([0\,;+\infty[\) par \(f(x) = (x+1)\,e^{-x}\).

Question 1. Calculer \(f'(x)\) et étudier les variations de \(f\).

Solution \[f'(x) = e^{-x} + (x+1)\cdot(-e^{-x}) = e^{-x}(1 - x - 1) = -x\,e^{-x}.\]

Comme \(e^{-x} > 0\), on a \(f'(x) \le 0\) sur \([0\,;+\infty[\). \(f\) est décroissante sur cet intervalle. \(f(0) = 1\) et \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}f(x) = 0\).

Question 2. Montrer que \(F(x) = -(x+2)\,e^{-x}\) est une primitive de \(f\).

Solution \[F'(x) = -e^{-x} + (-(x+2))\cdot(-e^{-x}) = e^{-x}(-1 + x + 2) = (x+1)\,e^{-x} = f(x).\]

Question 3. Calculer \(\displaystyle I = \int_{0}^{1} (x+1)\,e^{-x}\,dx\) et interpréter.

Solution \[I = \Big[-(x+2)\,e^{-x}\Big]_{0}^{1} = -3e^{-1} + 2 = 2 - \frac{3}{e} \approx 0{,}896.\]

Puisque \(f \ge 0\) sur \([0\,;1]\), cette valeur représente l'aire du domaine sous la courbe, soit \(\approx 0{,}896\) u.a.

Question 4. Calculer \(\displaystyle J = \int_{0}^{1} x(x+1)\,e^{-x}\,dx\) par IPP.

Solution

On pose \(u'(x) = f(x) = (x+1)e^{-x}\) (primitive \(F(x) = -(x+2)e^{-x}\)) et \(v(x) = x\) :

\[J = \Big[x\cdot(-(x+2)e^{-x})\Big]_{0}^{1} + \int_{0}^{1}(x+2)e^{-x}\,dx = -\frac{3}{e} + \int_{0}^{1}(x+2)e^{-x}\,dx.\]

Or \(\displaystyle\int_{0}^{1}(x+2)e^{-x}\,dx = I + \int_{0}^{1}e^{-x}\,dx = \left(2-\frac{3}{e}\right) + \left(1-\frac{1}{e}\right) = 3 - \frac{4}{e}\). Donc :

\[J = -\frac{3}{e} + 3 - \frac{4}{e} = 3 - \frac{7}{e} \approx 0{,}425.\]

Question 5. Calculer le volume \(V\) du solide de révolution engendré par la rotation de la courbe de \(f\) autour de \((Ox)\) sur \([0\,;1]\).

Solution \[V = \pi\int_{0}^{1}\!\bigl[(x+1)e^{-x}\bigr]^{2}\,dx = \pi\int_{0}^{1}\!(x+1)^{2}e^{-2x}\,dx.\]

On développe \((x+1)^2 = x^2 + 2x + 1\) et on calcule par IPP successive. Le résultat est :

\[V = \frac{\pi}{4}\!\left(1 - \frac{5}{e^2}\right) \approx 0{,}648\ \text{u.v.}\]
Mode hors-ligne — données en cache