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Intégrales · Intégrale définie

Théorème fondamental de l'analyse et calcul d'intégrales par les primitives

Un drone de course s'élève : on connaît sa vitesse verticale à chaque instant, mais pas son altitude. Pour la retrouver, il faudrait « additionner » toutes les petites variations d'altitude, c'est-à-dire calculer l'aire sous la courbe de la vitesse. Faire cela avec des rectangles est interminable. Le théorème fondamental de l'analyse relie l'aire à la dérivation et donne une méthode rapide : le calcul par une primitive.

Fonction définie par une intégrale

Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$ et $a \in I$. On fixe la borne inférieure $a$ et on fait varier la borne supérieure $x$ : pour chaque $x$, le nombre $\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t$ est l'aire (algébrique) accumulée entre $a$ et $x$. On obtient une nouvelle fonction de la variable $x$.

Aire sous la courbe de f entre a et x ; la borne x peut se déplacer et l'aire F(x) varie avec elle. a x F(x) = aire de a à x courbe de f
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Soit une fonction $f(x)$ continue sur l'intervalle $[1\,;\,8]$. On connaît les valeurs des intégrales suivantes : $\int_1^5 f(x) \, dx = 7$ $\int_5^8 f(x) \, dx = -3$…

Soit une fonction $f(x)$ continue sur l'intervalle $[1\,;\,8]$. On connaît les valeurs des intégrales suivantes :

  • $\int_1^5 f(x) \, dx = 7$

  • $\int_5^8 f(x) \, dx = -3$

Utiliser les propriétés de l'intégrale pour calculer la valeur de $\int_1^8 2 \cdot f(x) \, dx$.

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Le théorème fondamental

Voici le résultat central du chapitre : la dérivée de la fonction « aire accumulée » est la fonction de départ.

Quand la borne supérieure est une fonction $u(x)$, on utilise en plus la dérivée d'une fonction composée.

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Un programmeur de jeux vidéo conçoit la trajectoire d'un projectile. La vitesse de l'objet en fonction du temps $t$ est donnée par l'expression…

Un programmeur de jeux vidéo conçoit la trajectoire d'un projectile. La vitesse de l'objet en fonction du temps $t$ est donnée par l'expression $v(t) = \int_1^t (3x^2 - 4x) \, dx$.

Appliquer le théorème fondamental de l'analyse pour déterminer l'expression de l'accélération instantanée $a(t)$, sachant que l'accélération est la dérivée de la vitesse par rapport au temps ($a(t) = v'(t)$).

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Déterminer la valeur de la dérivée de la fonction définie par l'intégrale suivante au point $x = 2$ : $$F(x) = \int_{0}^{x} \sqrt{t^3 + 1} \, dt$$ Expliquer quel…

Déterminer la valeur de la dérivée de la fonction définie par l'intégrale suivante au point $x = 2$ :

$$F(x) = \int_{0}^{x} \sqrt{t^3 + 1} \, dt$$

Expliquer quel théorème vous utilisez pour résoudre le problème sans calculer de primitive.

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Calculer la fonction dérivée $F'(x)$ de la fonction définie par l'intégrale suivante à l'aide du théorème fondamental de l'analyse et de la dérivée d'une fonction…

Calculer la fonction dérivée $F'(x)$ de la fonction définie par l'intégrale suivante à l'aide du théorème fondamental de l'analyse et de la dérivée d'une fonction composée :

$$F(x) = \int_{1}^{x^2} \frac{\ln(t)}{t + 1} \, dt$$

Indiquer l'ensemble de définition de la fonction $F(x)$ pour que l'intégrale soit bien définie.

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Calcul d'une intégrale à l'aide d'une primitive

Le théorème fondamental donne le résultat qu'on attendait : pour calculer une aire, il suffit d'une primitive.

On peut donc choisir n'importe quelle primitive : la constante $C$ disparaît dans la soustraction.

Schéma du calcul d'une intégrale : on trouve une primitive F puis on calcule F(b) moins F(a). ∫ₐᵇ f(x) dx = F(b) − F(a) 1. trouver une primitive F de f 2. calculer en b et en a, puis soustraire
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Un panneau solaire thermique a une conception dont la section transversale supérieure est délimitée par la fonction $f(x) = 3x^2 + 2$, où $x$ est mesuré en mètres.…

Un panneau solaire thermique a une conception dont la section transversale supérieure est délimitée par la fonction $f(x) = 3x^2 + 2$, où $x$ est mesuré en mètres. Calculer la valeur de l'intégrale sur l'intervalle $[0\,;\,2]$ en utilisant une primitive.

0 1 2 x 2 14 y f(x) = 3x² + 2 ∫₀² f(x) dx
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La consommation électrique d'un logement durant la première heure de la matinée est modélisée par la fonction $f(x) = e^x + x$, où $x$ est le temps en heures. Calculer…

La consommation électrique d'un logement durant la première heure de la matinée est modélisée par la fonction $f(x) = e^x + x$, où $x$ est le temps en heures. Calculer la consommation totale accumulée, représentée par l'intégrale :

$$\int_{0}^{1} (e^x + x) \, dx$$
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La vitesse d'un prototype de véhicule électrique pendant les 4 premières secondes d'un essai est donnée par la fonction $v(t) = t^2 - 3t + 4$ (en m/s). a) Calculer la…

La vitesse d'un prototype de véhicule électrique pendant les 4 premières secondes d'un essai est donnée par la fonction $v(t) = t^2 - 3t + 4$ (en m/s).

  1. a) Calculer la distance totale parcourue par le véhicule entre les instants $t = 1$ s et $t = 3$ s en appliquant la formule fondamentale du calcul intégral (avec une primitive).
  2. b) Justifier si le véhicule s'arrête à un moment donné durant cet intervalle.
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Changement de variable

Quand l'intégrande est de la forme $f(u(x))\,u'(x)$, on reconnaît la dérivée de $F\circ u$ où $F$ est une primitive de $f$ : $\int_a^b f(u(x))\,u'(x)\,\mathrm{d}x=F(u(b))-F(u(a))=\int_{u(a)}^{u(b)} f(t)\,\mathrm{d}t$. On pose $t=u(x)$, donc $\mathrm{d}t=u'(x)\,\mathrm{d}x$, et on change les bornes. Si $u(x)=kx$, on a $\mathrm{d}t=k\,\mathrm{d}x$.

Aire, signe et fonctions par morceaux

L'intégrale $\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x$ est une aire algébrique : elle est comptée positivement là où $f\ge 0$ et négativement là où $f\le 0$. Par exemple $\int_{-1}^{1}x\,\mathrm{d}x=\left[\frac{x^2}{2}\right]_{-1}^{1}=0$.

Si l'expression de $f$ change (valeur absolue, fonction définie par morceaux), on découpe aussi aux points de changement. Il faut alors $f$ continue sur $[a\ ;b]$.

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Calculer l'aire du domaine plan limité par la courbe représentative de la fonction $f(x) = \sin(x)$, l'axe des abscisses $OX$ et les droites verticales $x = 0$ et…

Calculer l'aire du domaine plan limité par la courbe représentative de la fonction $f(x) = \sin(x)$, l'axe des abscisses $OX$ et les droites verticales $x = 0$ et $x = \pi$. Esquisser le domaine avant d'appliquer la formule fondamentale du calcul intégral.

X Y 0 1 π/2 π f(x) = sin(x) x=0 x=π S

Vous pouvez le faire sur papier et envoyer une photo de votre réponse.

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Déterminer l'aire de la région délimitée par la courbe $f(x) = x^2 - 4$ et l'axe $OX$ sur l'intervalle $[0 ; 2]$. Rappel : si la fonction est négative sur l'intervalle,…

Déterminer l'aire de la région délimitée par la courbe $f(x) = x^2 - 4$ et l'axe $OX$ sur l'intervalle $[0 ; 2]$. Rappel : si la fonction est négative sur l'intervalle, l'aire correspond à la valeur absolue de l'intégrale.

x y −2 −1 1 2 3 1 −1 −2 −3 −4 0 f(x) = x² - 4 (0, −4) Aire
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Soit la fonction $f(x) = |x^2 - 2x|$. Calculer la valeur de l'intégrale sur l'intervalle $[0, 3]$ à l'aide des primitives : $$\int_0^3 |x^2 - 2x| \, dx$$ Expliquer…

Soit la fonction $f(x) = |x^2 - 2x|$. Calculer la valeur de l'intégrale sur l'intervalle $[0, 3]$ à l'aide des primitives :

$$\int_0^3 |x^2 - 2x| \, dx$$

Expliquer brièvement pourquoi il est nécessaire de découper l'intervalle d'intégration pour résoudre cet exercice.

0 1 2 3 −1 1 2 3 x y f(x) = |x² - 2x| y = x² - 2x A₁ A₂
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Étudier une fonction définie par une intégrale

Grâce au théorème fondamental, on étudie $F(x)=\int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t$ sans calculer de primitive : $F'(x)=f(x)$, donc les variations de $F$ se lisent dans le signe de $f$, et la convexité dans celui de $f'$.

Pour une borne composée, on dérive avec $f(u(x))\,u'(x)$ puis on étudie le signe, comme pour $G(x)=\int_x^{x^2}\frac{\ln t}{t^2}\,\mathrm{d}t$ : $G'(x)=\dfrac{\ln(x^2)}{x^4}\,2x-\dfrac{\ln x}{x^2}$.

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Soit la fonction $G(x)$ définie par : $$G(x) = \int_{0}^{x} (t^2 - 4)e^{t} \, dt$$ Déterminer l'équation de la tangente à la courbe de $G(x)$ au point d'abscisse…

Soit la fonction $G(x)$ définie par :

$$G(x) = \int_{0}^{x} (t^2 - 4)e^{t} \, dt$$

Déterminer l'équation de la tangente à la courbe de $G(x)$ au point d'abscisse $x = 0$.

Remarque : n'oubliez pas que, pour trouver l'ordonnée du point de tangence, il faut calculer $G(0)$ et que, pour le coefficient directeur, il faut appliquer le théorème fondamental de l'analyse.

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Soit la fonction définie par une intégrale $H(x) = \int_{0}^{x} \frac{t-1}{t^2+4} \, dt$ : a) Déterminer les intervalles de croissance et de décroissance de $H(x)$. b)…

Soit la fonction définie par une intégrale $H(x) = \int_{0}^{x} \frac{t-1}{t^2+4} \, dt$ :

  1. a) Déterminer les intervalles de croissance et de décroissance de $H(x)$.
  2. b) Déterminer les coordonnées des extremums locaux (maximums ou minimums) de $H(x)$ et les classer.
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Soit la fonction $f(t) = \frac{\ln(t)}{t^2}$ définie pour $t > 0$. On définit une nouvelle fonction $G(x)$ par : $$G(x) = \int_{x}^{x^2} f(t) \, dt$$ a) En appliquant le…

Soit la fonction $f(t) = \frac{\ln(t)}{t^2}$ définie pour $t > 0$. On définit une nouvelle fonction $G(x)$ par :

$$G(x) = \int_{x}^{x^2} f(t) \, dt$$
  1. a) En appliquant le théorème fondamental de l'analyse et la dérivée d'une fonction composée, déterminer l'expression de la dérivée $G'(x)$.
  2. b) Déterminer les intervalles sur lesquels $G(x)$ est croissante et ceux sur lesquels elle est décroissante sur son ensemble de définition.
  3. c) Déterminer la valeur de $x > 1$ pour laquelle la fonction $G(x)$ admet un maximum local.
t y 1 x x² f(t) G(x)
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Soit la fonction définie par l'intégrale $F(x) = \int_{0}^{x} \frac{t - 1}{e^t + 1} \, dt$. a) Déterminer les points critiques de $F(x)$ et les classer à l'aide du signe…

Soit la fonction définie par l'intégrale $F(x) = \int_{0}^{x} \frac{t - 1}{e^t + 1} \, dt$.

  1. a) Déterminer les points critiques de $F(x)$ et les classer à l'aide du signe de la dérivée première.
  2. b) Étudier la convexité de $F(x)$ et déterminer si elle admet des points d'inflexion.
  3. c) Existe-t-il une valeur de $x$ pour laquelle $F(x)$ soit négatif ? Justifier en se basant sur le signe de la fonction à intégrer et sur les bornes d'intégration.
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L'essentiel

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