Chapitre VII – Calcul intégral

Fiche résumée

Terminale Terminale Difficile

L'intégration est une opération très utilisée en mathématiques et permet notamment de calculer l'aire sous la courbe d'une fonction sur un intervalle donné. Ici nous étudierons principalement les méthodes de calcul mais également les propriétés remarquables des intégrales.
Attention cependant; il est fortement recommandé d'avoir une bonne connaissance du Chapitre VI sur les primitives de fonctions continues.

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Calcul d’aire

Aires et intégrales

Dans un repère orthogonal (O;I;J)(O; I; J), on prend un point A=(1;1)A = (1; 1) et on appelle Unité d’Aire (U.A.) l’aire du rectangle formé par les points OO, II, AA et JJ.

Soient aa et bb deux réels avec a≤ba \leq b et ff une fonction continue sur [a;b][a;b]. L’intégrale de la fonction ff sur [a;b][a;b] notée ∫abf(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x} représente l’aire entre la courbe de ff et l’axe des abscisses délimitée par les droites d’équation x=ax = a et x=bx = b et est exprimée en U.A..

On dit que les réels aa et bb sont les bornes de l’intégrale.

Théorème fondamental de l’analyse

Pour calculer l’intégrale d’une fonction, il faut d’abord trouver la primitive de celle-ci (voir le cours sur les primitives).

Théorème fondamental de l’analyse

Soient une fonction ff continue sur un intervalle II et deux réels aa et bb appartenant à II.

Alors ∫abf(x) dx=[F(x)]ab=F(b)−F(a)\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x = \left[ F(x) \right]_a^b = F(b) - F(a)} où FF est une primitive de ff sur II.

Signe de l’intégrale

De manière générale, le signe de l’intégrale d’une fonction sur un intervalle dépend du signe de cette fonction sur cet intervalle.

Relation signe de l’intégrale - signe de la fonction

Soient une fonction ff continue sur un intervalle I=[a;b]I = [a; b].

  • Si f>0f > 0 sur II, alors ∫abf(x) dx>0\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x > 0}.

  • Si f<0f < 0 sur II, alors ∫abf(x) dx<0\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x < 0}.

  • Si ff change de signe sur II, on ne connaît pas directement le signe de l’intégrale. Le signe dépend de la partie de l’aire qui est la plus grande.

  • Soit gg une fonction définie sur II avec f>gf > g sur II, alors ∫abf(x) dx>∫abg(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x > \int_{a}^{b} g(x) \, \mathrm{d}x}.

Ainsi, cette intégrale sera positive :

Et cette intégrale sera négative :

Propriétés de l’intégrale

Propriétés algébriques

Propriétés

Soient une fonction ff continue sur un intervalle II et deux réels aa et bb appartenant à II.

  • ∫abf(x) dx=−∫baf(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x = - \int_{b}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x}

  • ∫aaf(x) dx=0\displaystyle{\int_{a}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x = 0}

Linéarité

Linéarité de l’intégrale

Soient une fonction ff continue sur un intervalle II et deux réels aa et bb appartenant à II. Soit λ\lambda un réel quelconque.

  • ∫abf(x)+g(x) dx=∫baf(x) dx+∫bag(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) + g(x) \, \mathrm{d}x = \int_{b}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x + \int_{b}^{a} g(x) \, \mathrm{d}x}

  • ∫abλf(x) dx=λ∫baf(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} \lambda f(x) \, \mathrm{d}x = \lambda \int_{b}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x}

Relation de Chasles

Relation de Chasles

Soient une fonction ff continue sur un intervalle II et deux réels aa et bb appartenant à II. Pour tout c∈Ic \in I, on a ∫abf(x) dx=∫acf(x) dx+∫cbf(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x = \int_{a}^{c} f(x) \, \mathrm{d}x + \int_{c}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x}.

Calculs d’intégrale

Intégration par parties

Il peut arriver que vous ayez à intégrer un produit de fonctions. En classe de Terminale, il est possible de faire appel à une technique appelée intégration par parties pour en venir à bout.

Intégration par parties

Soient uu et vv deux fonctions dérivables sur un intervalle II et soient aa et bb appartenant à II.

Alors ∫abu′(x)v(x) dx=[u(x)v(x)]ab−∫abu(x)v′(x) dx\displaystyle{\int_a^b u'(x) v(x) \, \mathrm{d}x = \left[u(x) v(x)\right]_a^b - \int_a^b u(x) v'(x) \, \mathrm{d}x}.

Intégrales de fonctions paires et impaires

Intégrale d’une fonction paire

Soit ff une fonction paire continue sur un intervalle II (comme x↦x2x \mapsto x^2).

On a la relation suivante pour tout a∈Ia \in I (−a-a doit aussi être dans II) :

∫−aaf(x) dx=2×∫0af(x) dx=2×∫−a0f(x) dx\displaystyle{\int_{-a}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x = 2 \times \int_{0}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x = 2 \times \int_{-a}^{0} f(x) \, \mathrm{d}x}.

Intégrale d’une fonction impaire

Soit ff une fonction impaire continue sur un intervalle II (comme x↦x3x \mapsto x^3).

On a la relation suivante pour tout a∈Ia \in I (−a-a doit aussi être dans II) :

∫−aaf(x) dx=0\displaystyle{\int_{-a}^{a} f(x) \, \mathrm{d}x = 0}.

Intégrales de fonctions périodiques

Intégrale d’une fonction périodique

Soit ff une fonction périodique de période TT (comme cos⁡\cos avec T=2πT = 2\pi) continue sur chacune de ses périodes, on a la relation suivante pour tout a∈Ra \in \mathbb{R} :

∫0Tf(x) dx=∫aa+Tf(x) dx\displaystyle{\int_{0}^{T} f(x) \, \mathrm{d}x = \int_{a}^{a + T} f(x) \, \mathrm{d}x}

Valeur moyenne d’une fonction

Valeur moyenne

Soient ff une fonction continue sur un intervalle [a;b][a;b]. La valeur moyenne MM de ff sur [a;b][a;b] est donnée par M=1b−a∫abf(x) dx\displaystyle{M = \frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(x) \, \mathrm{d}x}.

Aire entre deux courbes

Différence d’aires

Soient ff et gg deux fonctions continues sur un intervalle [a;b][a;b]. Si on a f≥gf \geq g sur cet intervalle, alors l’aire entre les deux courbes est donnée par ∫abf(x)−g(x) dx\displaystyle{\int_{a}^{b} f(x) - g(x) \, \mathrm{d}x}.

Primitive s’annulant en aa

Existence d’une primitive s’annulant en un point

Soient une fonction ff continue sur un intervalle II et un réel a∈Ia \in I. La primitive de ff sur II qui vaut 00 en aa (notée FaF_a) est donnée par Fa:x↦∫axf(t) dt\displaystyle{F_a : x \mapsto \int_{a}^{x} f(t) \, \mathrm{d}t}.