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Cours 3 – Primitives et intégrales

BTS SIO SISR 2e année – Option mathématiques approfondies – M2, troisième partie

Note

Objectifs de ce cours. À la fin, tu sais : expliquer l'intégrale comme cumul (aire sous une courbe) ; vérifier qu'une fonction est une primitive en la dérivant ; calculer une intégrale avec une primitive ; calculer et interpréter une valeur moyenne.

Méthode. Dans ce cours, on justifie une primitive proposée en la dérivant. Le cours 5 apprend ensuite à la trouver pour les formes \(u'u^{n}\), \(\dfrac{u'}{u}\) et \(u'e^{u}\). Sont exclus du programme : l'intégration par parties et les primitives de \(\cos(\omega t + \varphi)\) et \(\sin(\omega t + \varphi)\).

1. Pour démarrer : cumuler une grandeur

Un lien transfère des données à un débit constant de 2 Go par heure. En 3 heures, la quantité transférée est \(2 \times 3 = 6\) Go. Sur un graphique du débit en fonction du temps, c'est l'aire d'un rectangle de largeur 3 et de hauteur 2.

Mais si le débit varie (par exemple \(d(t) = e^{-t/2}\) Go par heure, qui décroît), la quantité totale est toujours une aire : celle de la zone comprise entre la courbe du débit et l'axe du temps. Cette aire s'appelle l'intégrale du débit.

0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 2 4 6 8 x f(x) maximum (2 ; 0,74) aire = intégrale de 0 à 4
L’intégrale de 0 à 4 est l’aire de la zone colorée, entre la courbe et l’axe des abscisses.

2. Primitive : l'opération « inverse » de la dérivation

Définition. Une primitive de \(f\) est une fonction \(F\) dont la dérivée est \(f\) : \(F' = f\).

Une fonction qui a une primitive en a une infinité : si \(F\) est une primitive, \(F + k\) (avec \(k\) constante) en est une aussi, car la dérivée d'une constante est nulle.

Comment on procède ici. Pour les cas simples ou compliqués, l'énoncé (ou la calculatrice formelle) propose une primitive, et on la justifie en dérivant. Les formes courantes se retrouvent par une méthode (cours 5).

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

Voir la solution

On dérive \(F\). Pour \(x\,e^{x}\), la règle du produit donne \(e^{x} + x\,e^{x}\) ; pour \(-e^{x}\), on obtient \(-e^{x}\). Donc

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

\(F\) est bien une primitive de \(f\). ✔

Tip

Les primitives simples à connaître. Elles se vérifient toutes en dérivant : une primitive de \(x^{n}\) est \(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\) (pour \(n \ne -1\)) ; de \(e^{x}\) est \(e^{x}\) ; de \(e^{kx}\) est \(\dfrac{1}{k}e^{kx}\) ; de \(\dfrac{1}{x}\) est \(\ln x\) (pour \(x > 0\)). Ne les « devine » pas : dérive pour contrôler.

3. L'intégrale : aire et cumul

Définition. Si \(F\) est une primitive de \(f\) sur \([a\,;\,b]\), l'intégrale de \(f\) de \(a\) à \(b\) est

\[ \int_{a}^{b} f(x)\,dx = F(b) - F(a) = \big[F(x)\big]_{a}^{b}. \]

Le résultat ne dépend pas de la primitive choisie (la constante \(k\) disparaît dans la soustraction).

Ce que représente l'intégrale.

  • Si \(f \ge 0\) sur \([a\,;\,b]\), c'est l'aire sous la courbe entre \(a\) et \(b\) ;
  • c'est surtout un cumul : si \(f\) est un débit, l'intégrale est le volume total écoulé ; si \(f\) est un coût par unité (coût marginal), c'est le coût total ajouté.

Propriétés utiles.

Propriété Écriture
Linéarité \(\displaystyle\int_a^b (f + g) = \int_a^b f + \int_a^b g\) et \(\displaystyle\int_a^b k f = k \int_a^b f\)
Relation de Chasles \(\displaystyle\int_a^c f = \int_a^b f + \int_b^c f\)
Positivité si \(f \ge 0\) sur \([a\,;\,b]\), alors \(\displaystyle\int_a^b f \ge 0\)

Exemple résolu 1. Calculer \(\displaystyle\int_{0}^{2} (3x^2 - 4x + 1)\,dx\).

Voir la solution

On propose \(F(x) = x^3 - 2x^2 + x\). Vérification : \(F'(x) = 3x^2 - 4x + 1\) ✔. Donc

\[ \int_{0}^{2} (3x^2 - 4x + 1)\,dx = F(2) - F(0) = (8 - 8 + 2) - 0 = 2. \]

Exemple résolu 2 : un débit qui décroît. Le débit d'un transfert est \(d(t) = e^{-t/2}\) (en Go par heure). Quelle quantité est transférée de \(t = 0\) à \(t = 4\) ?

Voir la solution

Primitive proposée : \(D(t) = -2e^{-t/2}\). Vérification : \(D'(t) = -2 \times \left(-\dfrac{1}{2}\right)e^{-t/2} = e^{-t/2}\) ✔.

\[ \int_{0}^{4} e^{-t/2}\,dt = D(4) - D(0) = -2e^{-2} + 2 = 2 - 2e^{-2} \approx 1{,}73. \]

Interprétation. Il est transféré environ 1,73 Go en 4 heures. Contrôle d'ordre de grandeur : le débit passe de 1 Go/h à 0,14 Go/h en 4 heures, donc le cumul doit être entre 0,14 × 4 et 1 × 4, soit entre 0,6 et 4 : 1,73 est plausible.

4. La valeur moyenne

Définition. La valeur moyenne de \(f\) sur \([a\,;\,b]\) est

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

C'est la hauteur du rectangle de même base \([a\,;\,b]\) et de même aire que la zone sous la courbe : la valeur constante qui donnerait le même cumul.

Exemple résolu. Calculer la valeur moyenne de \(f(x) = x^2 + 1\) sur \([0\,;\,3]\).

Voir la solution

Primitive proposée : \(F(x) = \dfrac{x^3}{3} + x\). Vérification : \(F'(x) = x^2 + 1\) ✔.

\(\displaystyle\int_0^3 (x^2 + 1)\,dx = F(3) - F(0) = (9 + 3) - 0 = 12\). La valeur moyenne est \(\mu = \dfrac{12}{3} = 4\).

Interprétation. Si \(f\) représente une charge, elle vaut en moyenne 4 sur l'intervalle (elle part de 1 et finit à 10).

5. Vérifier une intégrale avec Python

Une somme de petits rectangles approche l'aire :

from math import exp

def integrale(f, a, b, n=100000):
    h = (b - a) / n
    return sum(f(a + (i + 0.5) * h) for i in range(n)) * h

print(integrale(lambda t: exp(-t / 2), 0, 4))   # 1.7293...

On retrouve \(2 - 2e^{-2} \approx 1{,}7293\). Ce calcul numérique sert de contrôle du calcul exact.

6. À retenir

Note

  • Une primitive \(F\) de \(f\) vérifie \(F' = f\). On la justifie par dérivation.
  • \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)\) : c'est l'aire sous la courbe (si \(f \ge 0\)) et surtout un cumul.
  • Valeur moyenne : \(\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\).
  • Toujours donner l'unité et interpréter : volume transféré, coût total, charge moyenne.

7. Teste-toi

Question 1. Montrer que \(F(x) = \dfrac{x^3}{3}\) est une primitive de \(x^2\), puis calculer \(\displaystyle\int_1^3 x^2\,dx\).

Question 2. Calculer \(\displaystyle\int_0^1 e^{x}\,dx\).

Question 3. Une consommation instantanée est \(p(t) = 2t\) (en kW) entre \(t = 0\) et \(t = 5\) heures. Quelle énergie cumulée (en kWh) ? Quelle puissance moyenne ?

Voir les réponses
  1. \(F'(x) = \dfrac{3x^2}{3} = x^2\) ✔. \(\displaystyle\int_1^3 x^2\,dx = F(3) - F(1) = 9 - \dfrac{1}{3} = \dfrac{26}{3} \approx 8{,}67\).
  2. \(\displaystyle\int_0^1 e^{x}\,dx = e^{1} - e^{0} = e - 1 \approx 1{,}72\).
  3. Primitive \(P(t) = t^2\) (dérivée \(2t\)). Énergie : \(P(5) - P(0) = 25\) kWh. Puissance moyenne : \(\dfrac{25}{5} = 5\) kW (c'est la moyenne de 0 et 10, car la puissance est affine).

Pour continuer : les exercices du module, puis le module M3 sur la statistique.