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15 Calculs d'intégrales

Dans le document Bibliothèque d'exercices (Page 98-110)

15.1 Théorie

Exercice 778 Déterminer les fonctions f de[a, b]dans Rtelles queRb

af(t)dt= (b−a) sup

[a,b]|f|.

Exercice 779 Soient f ∈C1([a, b],R) et In =Rb

af(t) sin(nt)dt. 1. A l'aide d'une intégration par parties, montrer que In→0.

2. Montrer que ceci est encore vrai si f est en escalier.

3. En déduire que le résultat subsiste pour f continue par morceaux.

Exercice 780 Soient 0< a6b. Montrer que Rb 1. Montrer que g se prolonge par continuité en 0.

2. Montrer que si f est périodique, g admet une limite en +∞.

Exercice 783 Soit f continue de [0,1] dans R, n∈N tels que :

∀k∈ {0, ..., n}, Z 1

0

f(u)ukdu= 0.

Montrer que f admet au moins n+ 1 zéros distincts dans ]0,1[.

Exercice 784 Soit f : [0,1]→R une application continue strictement croissante telle que : f(0) = 0, f(1) = 1.

Exercice 785 Soit f : [0,1]→R une application continue, n'admettant qu'un nombre ni de zéros sur [0,1], et telle que f(0) = 0, f(1) = 1. Montrer que :

Exercice 787 Soit f continue sur [0, π] telle que Rπ

0 f(u) cos(u)du = Rπ

0 f(u) sin(u)du = 0, montrer que f s'annulle au moins deux fois sur ]0, π[.

Exercice 788 Soit f ∈C([0,1],R) telle que :

Exercice 790 Soit f continue sur [0,1] à valeurs dans [a, b]. On suppose a < 0 < b et Exercice 792 Calculer sans utiliser de primitive, pour a < b :

Z b a

etdt.

Exercice 793 Soit f continue de [0,1] dans R telle que R1

0 fn(u)du ne prenne qu'un nombre ni de valeurs quand n décrit N. Montrer que f =−1ou f = 0 ou f = 1.

Exercice 794 Soient f et g de R+ dans Rcroissantes. Montrer que :

∀x∈R+,

Éventuellemment, en donner un DL en n1. Exercice 796 Calculer :

Exercice 797 Soit f : [0,1] → R une application continue par morceaux, continue en 0, trouver une suite (gn)nN de fonctions en escaliers telle que :

n→∞lim Z 1

0

f(t)gn(t)dt=f(0).

Exercice 798 Dire (avec justication) si les armations suivantes sont vraies ou fausses.

1. Toute fonction intégrable sur [a, b] est continue.

2. Si f est intégrable sur [a, b], dxd Rx

a f(t)dt=f(x) pour tout x de [a, b].

3. Soit f une fonction sur [a, b]vériant la propriété : pour tout ε >0, il existe gε intégrable sur [a, b]telle que ∀x∈[a, b], |f(x)−gε(x)|6ε; alors f est intégrable.

4. Si f est intégrable sur [a, b], alors |f|est intégrable sur [a, b]. 5. Si |f| est intégrable sur [a, b], alors f est intégrable sur [a, b].

6. Si f et g sont des fonctions intégrables sur [a, b], alors la fonction f g est intégrable sur [a, b].

7. Si f et g sont des fonctions continues sur [a, b], alors la fonction f g est continue sur [a, b], et Rb

a f(t)g(t)dt =Rb

af(t)dt·Rb

ag(t)dt. 8. Soit f la fonction dénie sur [0,1] par

(f ≡λn sur ]21n,2n−11 ] pour tout entier n>1 f(0) =µ

où(λn)est une suite bornée de nombres réels, et µun nombre réel. Alors f est intégrable.

9. Soit f bornée sur [0,1], continue sauf au point 1/3; alors f est intégrable sur [0,1]. 10. Il existe f >0continue sur [0,1], avec f(1/2)>0, et telle que R1

0 f(t)dt= 0. 11. Soit f intégrable sur [a, b]. Si Rb

a f(t)dt >0 alors f >0sur [a, b].

12. Si f est croissante sur [a, b], elle est intégrable sur [a, b] et de plus F(x) = Rx

a f(t)dt est croissante.

13. Sif 60est continue sur [a, b], alors G(x) = Rb

x f(t)dt est croissante sur [a, b]. 14. Si f est continue sur [0,1], H(x) = Rx2

0 f(t)dt est dérivable sur [0,1], et ∀x ∈ [0,1], H0(x) =f(x2).

Exercice 799 Soit ϕ une fonction bornée sur [a, b]; comparer les assertions suivantes1 : 1. ϕ a une primitive sur [a, b].

2. ϕ est intégrable sur [a, b]. 3. ϕ est continue sur [a, b]. 4. ϕ est dérivable sur [a, b].

Exercice 800 Soit f une fonction continue et strictement croissante de [a, b] sur [α, β]. On note g la fonction réciproque de f. Montrer que

Z b a

f(x)dx+ Z β

α

g(x)dx=bβ −aα

Exercice 801 Soitf etg deux fonctions intégrables sur [a, b]. On suppose que f est monotone sur [a, b] et que g est positive sur [a, b]. Montrer qu'il existe c∈[a, b] tel que

Z b a

f(t)g(t)dt=f(a) Z c

a

g(t)dt+f(b) Z b

c

g(t)dt (considérer ϕ(x) = f(a)Rx

a g(t)dt+f(b)Rb

x g(t)dt).

1L'une des implications à étudier est très dicile ; on pourra admettre après avoir traité toutes les autres que celle qui reste est fausse.

Exercice 802 Soit f une fonction dérivable sur [0,1], vériant : i) 06f0 62;

ii) f0 est décroissante ; iii) f(0) = 0 et f(1) = 1.

Trouver le plus grand nombre m et le plus petit nombre M tels qu'on soit sûr d'avoir m 6 R1

0 f(t)dt6M. Peut-il y avoir égalité ?

Exercice 803 Soit f dénie et continue sur [0,+∞[, vériant limx+f(x) = l. Montrer que limx→+∞x1Rx

0 f(t)dt = l (étant donné ε > 0, choisir A assez grand pour que sur [A,+∞[ on ait l−ε 6f(t)6l+ε; puis encadrer 1xRx

Af(t)dt, pour x > A; estimer l'erreur. . . et faire un dessin !).

Pour x>0, on pose F(x) =Rx 0

q

1 + sin1+t22tdt. Étudier la branche innie du graphe de F quand x→+∞.

Exercice 804 (Méthode des trapèzes) 1. Soit f deux fois dérivable sur [a, b], vériant

|f00|6M sur [a, b]. Soit

ϕ(t) =f(t)−f(a)−(t−a)f(b)−f(a)

b−a −A(b−t)(t−a)

Soit x ∈]a, b[; on choisit A = A(x) pour que ϕ(x) = 0 (dessiner !). Montrer qu'il existe c1, c2 ∈ [a, b] tels que c1 < c2 et ϕ0(c1) = ϕ0(c2) = 0, puis qu'il existe c ∈ [a, b] tel que ϕ00(c) = 0. En déduire une majoration de |A| pour x ∈ [a, b]. On convient de poser A(a) = A(b) = 0.

2. On note El'erreur commise en remplaçant Rb

a f(x)dxpar l'aire du trapèze déni par l'axe des x, les droites x = a et x = b et la corde du graphe joignant les points (a, f(a)) et (b, f(b))(dessiner !). Montrer que E =Rb

a A(x)(b−x)(x−a)dx, et vérier que l'intégrale a un sens. En déduire que |E|6 M(b−a)12 3 (utiliser 1)).

3. Pour n>1on pose In= b−an h

f(a)

2 +f(x1) +f(x2) +· · ·+f(xn−1) +f(b)2 i

oùxp =a+pb−an pour p = 1,2, . . . , n−1. Montrer que In est la somme des aires des trapèzes construits sur les points d'abscisses a, x1, x2, . . . , xn−1, b et les cordes correspondantes du graphe de f (dessiner !). Montrer que

Z b a

f(x)dx−In

6 M(b−a)3 12n2

4. On prend [a, b] = [0,1]et f(x) = e−x2. Calculer M = sup[0,1]|f00|. Déterminer n pour que la méthode des trapèzes avec n intervalles donne un nombre qui approche R1

0 e−x2dx à moins de 102 près. En déduire un encadrement de cette intégrale.

15.2 Longueurs, aires, volumes

Exercice 805 Construire la courbe paramétrée C

( x= 1+λcoscost t

y= 1+λsincost t où λ est un paramètre ap-partenant à [0,1[.

Calculer l'aire S limitée par C de deux façons : En se ramenant au calcul de R

0

dt (1+λcost)2. En reconnaissant la nature géométrique de C.

[Exercice corrigé]

Exercice 806 Représenter la courbe dénie par son équation polaire ρ=asin3 θ3. Calculer sa longueur L et les aires A1 et A2 limitées par les deux boucles qu'elle forme.

[Exercice corrigé]

Exercice 807 On appelle tore la gure obtenue par révolution d'un cercle de rayon r autour d'une droite de son plan passant à distance Rde son centre (on suppose r < R). Calculer l'aire A du tore, et son volume V.

[Exercice corrigé]

Exercice 808 On appelle cycloïde la courbe décrite par un point d'un cercle de rayon R, lié à ce cercle, quand celui-ci roule sans glisser sur une droite en restant dans plan xe. Montrer que dans un repère bien choisi, la cycloïde admet la représentation paramétrique :

x=R(t−sint) y=R(1−cost) Représenter la cycloïde et calculer : la longueur Ld'une arche, l'aire Ade la surface Scomprise entre cette arche et la droite xe (Ox), les volumes V1 et V2 obtenus par révolution de S autour de Ox et Oy respectivement, les aires A1 et A2 obtenues par révolution d'une arche de la cycloïde autour de Oxet Oy respectivement.

[Exercice corrigé]

Exercice 809 On appelle épicycloïde la courbe décrite par un point d'un cercle de rayon r, lié à ce cercle, quand celui-ci roule sans glisser sur un cercle de rayon R en restant tangent extérieurement à ce dernier, et dans son plan. On pose n =R/r. Montrer que dans un repère que l'on précisera, l'épicycloïde admet la représentation paramétrique :

x = r (n+ 1) cost−cos(n+ 1)t y = r (n+ 1) sint−sin(n+ 1)t

Représenter la courbe pour n = 1,2,3. En supposant n entier, calculer la longueur L de la courbe et l'aire A limitée par celle-ci. Dans le cas n = 1 (cardioïde ), calculer de plus l'aire S de la surface de révolution obtenue en faisant tourner la courbe autour de son axe de symétrie, ainsi que le volume V limitée par cette surface.

[Exercice corrigé]

Exercice 810 SoitC un cercle xe de rayon R. Un cercle C0 de même rayon roule sans glisser sur C en restant dans un plan (variable) perpendiculaire à celui de C. Un point M lié au cercle C0 décrit une courbe Γ. Montrer que suivant un repère convenablement choisi, Γ admet la représentation paramétrique :

x = R(cost+ sin2t) y = Rsint(1−cost) z = R(1−cost)

. En déduire la longueur L de Γ. Représenter les projections de Γsur chacun des trois plans de coordonnées.

[Exercice corrigé]

15.3 Intégration à l'aide d'une fonction auxiliaire

Exercice 811 Calculer les primitives suivantes : Z dx

x2+ 5 ;

Z dx

√x2−5 ; Z

exsin(ex)dx ; Z

tan3xdx ; Z 1

tan3xdx ;

Z 2x+ 3

(x2+ 3x+ 7)mdx, m∈N ;

Z lnx x dx ;

Z chx dx sh5x .

15.4 Changement de variables

Exercice 812 Considérons l'intégrale I =

Z ln 2 0

√ex−1dx

Eectuer le changement de variables u=√

ex−1et calculer I. Résultat : I = 2−π/2.

Exercice 813 Soitf : [a, b]→Rune fonction strictement croissante et continûment dérivable.

On considère les deux intégrales I1 =Rb

af(t)dt et I2 =Rf(b)

f(a) f−1(t)dt. 1. Rappeler pourquoi f admet une fonction réciproque f1.

2. Faire le changement de variable t =f(u)dans l'intégrale I2. 3. Calculer I2 en fonction de I1.

4. Faire un dessin faisant apparaître f et f−1, et interpréter ce résultat géométriquement.

Exercice 814 Calculer les primitives suivantes : Z 1

√2 +x+√3

2 +xdx, (t= √6

2 +x) ; Z 1

((x−1)2−4)2dx, (x−1

2 = thuou cothu) ; Z

(arcsinx)2dx ; Z

x2

1 +x3dx.

15.5 Intégration par parties

Exercice 815 Calculer les primitives suivantes : Z

excosxdx ;

Z lnx

xn dx n ∈N ; Z

xArctanxdx ; Z

(x2+x+ 1)exdx.

Exercice 816 Soit In=R1

0 (1−t2)ndt.

1. Établir une relation de récurrence entre In et In+1. 2. Calculer In.

3. En déduire Pn

k=0 (−1)k

2k+1Cnk.

Exercice 817 Soit f ∈C2([a, b],R). 1. Montrer que Rb

a f(t)dt= b−a2 (f(a) +f(b)) + 12Rb

af00(x)(a−x)(b−x)dx. 2. En déduire un encadrement de Rb

a f(t)dt si∀x∈[a, b] m 6f00(x)6M. Exercice 818 (Intégrales de Wallis) Soit In=R π2

0 sinntdt. 1. Établir une relation de récurrence entre In et In+2. 2. En déduire I2p et I2p+1.

3. Montrer que (In)n∈N est décroissante et strictement positive.

4. En déduire que In ∼In+1.

5. Calculer nInIn+1.

6. Donner alors un équivalent simple de In. Exercice 819 Soit In=R1

0 xn 1+xdx.

1. En majorant la fonction intégrée, montrer que (In)n∈N→0. 2. Calculer In+In+1.

3. Déterminer lim

n+(

n

P

k=1

(−1)k+1 k ). Exercice 820 Calculer par récurrence :

In = Z π4

0

du cosnu. Exercice 821 Calculer par récurrence :

Jn= Z e

1

log(u)ndu.

15.6 Polynôme en sin, cos, ou en ch, sh

Exercice 822 Calculer les primitives suivantes : Z

(cosxcos 2x+ sinxsin 3x)dx ; Z

cosxsin4xdx ; Z

cos6xdx ; Z

sin3xcosxdx ; Z

sin4xdx ; Z

sin3xcos2xdx ; Z

ch2xsh2xdx ; Z

shxch3xdx ; Z

chxsh3xdx.

Exercice 823 Déterminer les intervalles d'étude et calculer les primitives des fonctions : xcos2x

cos(2x) cos2x

15.7 Fractions rationnelles

Exercice 824 Décomposer les fractions rationnelles suivantes ; en calculer les primitives.

1. 1

a2+x2. 2. (1+x12)2. 3. x3

x2−4.

4. 4x

(x−2)2.

5. 1

x2+x+ 1.

6. 1

(t2+ 2t−1)2.

7. (t2−2t+ 10)2. 8. 3t+ 1

t2−2t+ 10. 9. 1

t3+ 1. 10. x3 + 2

(x+ 1)2. 11. x+ 1

x(x−2)2. 12. (x2 −1)(x3+ 3)

2x+ 2x2 .

13. x2

(x2 + 3)3(x+ 1). 14. x7+x3−4x−1 x(x2+ 1)2 .

15. 3x4 −9x3+ 12x2 −11x+ 7 (x−1)3(x2+ 1) .

[Exercice corrigé]

Exercice 825 Calculer les intégrales de fractions rationnelles suivantes.

1. Z 1 0

dx x2+ 2. 2. Z 1/2

−1/2

dx 1−x2. 3. Z 3

2

2x+ 1 x2+x−3dx. 4. Z 2

0

x dx x4+ 16. 5. Z 3

0

x4+ 6x3−5x2+ 3x−7 (x−4)3 dx. 6. Z 0

−2

dx x3−7x+ 6. 7. Z 1

−1

2x4+ 3x3+ 5x2+ 17x+ 30 x3 + 8 dx. 8. Z 3

2

4x2 x4−1dx. 9. Z 0

−1

x3+ 2x+ 1 x3−3x+ 2 dx. 10. Z 2

1

2x8 + 5x6−12x5+ 30x4+ 36x2+ 24 x4(x2+ 2)3 dx. 11. Z a

0

−2x2+ 6x+ 7

x4+ 5x2+ 4 dx pour a∈R. Y a-t-il une limite quand a→+∞?

12. Z 2 0

dx x4+ 1.

[Exercice corrigé]

Exercice 826 Calculer les primitives suivantes : Z x4+ 1

x(x−1)3dx ;

Z dx (x4+ 1)2 ;

Z xdx

x4+x2+ 1 ;

Z dx

(x−1)(x2−2x−2)2. Exercice 827 Déterminer les intervalles d'étude et calculer les primitives des fonctions :

1

(x+ 2)(x2 + 2x+ 5) 2x

(1−x+x2)2 x2

(x−1)2(x2+ 4) 1

(1 +x3)3

15.8 Fractions rationnelles en sin, cos ou en sh, ch

Exercice 828 Calculer les primitives suivantes : Z cos3x

sin5xdx ;

Z sin3x

1 + cosxdx ;

Z dx

cos4x+ sin4x ;

Z cosx

1 + sin 2xdx ; Z tanx−tana

tanx+ tanadx ;

Z shxchx sh4x+ ch4xdx.

Exercice 829 Déterminer les intervalles d'étude et calculer les primitives des fonctions : cos3x

sinx 1 1 + tanx

1 th2x

15.9 Intégrales abéliennes

Exercice 830 Calculer les primitives suivantes : Z dx

x+√

x−1 ;

Z dx x√

x2+x+ 1 ;

Z x

√9 + 4x4dx ; Z √3

x+ 1−√ x+ 1 x+ 2 dx ;

Z x+ 1

√−4x2+ 4x+ 1dx.

Exercice 831 Déterminer les intervalles d'étude et calculer les primitives des fonctions : 8x−3

√12x−4x2−5

√x2−1 x√

x x2−5x+ 4

15.10 Primitives diverses

Exercice 832 Calculer les primitives suivantes.

1.

Z

esin2xsin 2x dx. 2. Z

cos5t dt; Z

cosh3t dt; Z

cos4t dt; Z

sinh4t dt. 3. Z

x3exdx. 4. Z

lnx dx; Z

xlnx dx;Z

arcsinx dx. 5. Z

coshtsint dt. 6. Z dx

sinx. 7. Z √

a2−x2dx. 8. Z

e2x

√ex+ 1dx. 9. Z

eaxcosbx dx;Z

eaxsinbx dx. 10. Z r x

(1−x)3 dx pour 0< x < 1. 11. Z x2

√1−x2 dx. 12. Z

dx

cosx+ 2 sinx+ 3. 13. Z √

√ x dx

a3−x3 avec 0< x < a. 14. Z coshx

coshx+ sinhxdx.

[Exercice corrigé]

Exercice 833 Calculer les primitives suivantes : Z dx

chx√

ch 2x ;

Z x

cos2xdx ;

Z 1 + cos 2x 1−tan2xdx ; Z sinax+ cosbx

ex dx ;

Z x(2 + cosx) sin2x dx.

Exercice 834 Déterminer les intervalles d'étude et calculer les primitives des fonctions : chxsin(2x)

√ 1

2 + tan2x (x2+ 2x+ 2) cos(2x)

x2cosxet x2sinxen utilisant les complexes Exercice 835 Calculer R1

0 ln(1 +x2).

Exercice 842 Soient f et g continues de [0,1]dans R. Calculer :

n→∞lim

Exercice 844 Calculer les limites suivantes : 1. lim

n→∞

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