Le cours
Résumé en cinq points
- L'intégrale est définie pour les fonctions continues par morceaux sur un segment, elle est linéaire, croissante, vérifie et la relation de Chasles.
- Une fonction continue, positive et d'intégrale nulle sur un segment est identiquement nulle. La continuité est indispensable.
- Les sommes de Riemann à pas constant convergent vers l'intégrale, avec une erreur en si est lipschitzienne.
- Toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives, et en est une. IPP et changement de variable exigent la classe .
- Taylor avec reste intégral est une égalité globale pour de classe , l'inégalité de Taylor-Lagrange en est la version majorée, Taylor-Young reste local.
Pourquoi ce chapitre
Au premier semestre, on a calculé des intégrales en admettant leurs propriétés. Ce chapitre paie la dette théorique.
- On définit l'intégrale d'une fonction continue par morceaux sur un segment.
- On démontre la linéarité, la croissance et la relation de Chasles.
- On établit le théorème fondamental : toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives.
- Viennent ensuite les formules de Taylor globales, qui majorent l'erreur sur tout un intervalle et non seulement au voisinage d'un point.
- Les sommes de Riemann servent à calculer des limites de sommes.
Presque tout exercice d'analyse d'écrit y fait appel.
1Continuité uniforme et théorème de Heine
1.1Définition
Définition 1.1Continuité uniforme
Soit définie sur une partie de à valeurs dans . Elle est uniformément continue sur si pour tout il existe tel que, pour tous et de :
La différence avec la continuité tient à la place des quantificateurs : dans la continuité en chaque point, dépend de et du point, alors qu'ici un même convient pour tout le domaine.
Attention
L'uniforme continuité entraîne la continuité, la réciproque est fausse : est continue sur sans y être uniformément continue.
1.2Théorème de Heine
Théorème 1.2Théorème de Heine
Toute fonction continue sur un segment y est uniformément continue.
La démonstration n'est pas exigible. Ce théorème sert uniquement à construire l'intégrale, en permettant d'encadrer une fonction continue sur entre deux fonctions en escalier arbitrairement proches. L'étude systématique de l'uniforme continuité est hors programme.
2Fonctions continues par morceaux
2.1Subdivisions et fonctions en escalier
Définition 2.1Subdivision
Une subdivision du segment est une famille finie de réels . Son pas est le maximum des longueurs .
Définition 2.2Fonction en escalier
Une fonction sur est en escalier s'il existe une subdivision, dite adaptée, telle que soit constante sur chaque . Les valeurs aux points ne comptent pas.
2.2Fonctions continues par morceaux
Définition 2.3Fonction continue par morceaux
Une fonction sur est continue par morceaux s'il existe une subdivision telle que, sur chaque , soit continue et admette une limite finie à droite en et à gauche en .
Autrement dit, n'a qu'un nombre fini de discontinuités, toutes de première espèce.
Sur un intervalle quelconque, est dite continue par morceaux si sa restriction à tout segment inclus dans l'est.
Exemple 2.4Exemples et contre-exemples
- La partie entière est continue par morceaux sur tout segment.
- La fonction qui vaut sur et en ne l'est pas, car la limite en n'est pas finie.
- L'indicatrice de sur non plus : elle a une infinité de discontinuités.
Propriété 2.5Structure
Les fonctions continues par morceaux sur un segment à valeurs dans forment un sous-espace vectoriel et un sous-anneau de l'ensemble des fonctions, et elles sont bornées.
3L'intégrale sur un segment
3.1Construction et interprétation
Le programme n'impose aucune construction particulière. L'intégrale d'une fonction en escalier est la somme des , où est la valeur constante sur , et elle ne dépend pas de la subdivision adaptée choisie. On étend aux fonctions continues par morceaux par encadrement entre fonctions en escalier, l'uniforme continuité rendant l'écart aussi petit qu'on veut.
Pour réelle positive, l'intégrale est l'aire sous la courbe. Pour complexe, on intègre séparément partie réelle et partie imaginaire. La variable d'intégration est muette.
Définition 3.1Valeur moyenne
La valeur moyenne de sur , avec , est
3.2Propriétés fondamentales
Propriété 3.2Propriétés de l'intégrale
Hypothèses
- et sont continues par morceaux sur ;
- et .
Alors :
- linéarité : ;
- positivité : si est à valeurs réelles positives, ;
- croissance : si et sont réelles avec sur , ;
- inégalité triangulaire, aussi pour à valeurs complexes :
- majoration : si sur , alors .
Propriété 3.3Relation de Chasles
Pour :
On étend la notation au cas en posant . La relation de Chasles et la linéarité restent alors vraies pour , , quelconques.
Attention
La croissance et l'inégalité triangulaire supposent . C'est une source d'erreurs fréquente.
3.3Le cas d'annulation
Théorème 3.4Cas d'annulation
Hypothèses
- est continue sur avec ;
- est à valeurs réelles de signe constant ;
- .
Alors est identiquement nulle sur .
Démonstration
Idée de la preuve : s'il existe avec , la continuité donne sur un petit segment autour de , ce qui force l'intégrale à être strictement positive.
Attention
L'hypothèse de continuité est indispensable : la fonction nulle partout sauf en un point, où elle vaut 1, est continue par morceaux, positive, d'intégrale nulle et non nulle.
Conséquence : si est continue et si , alors est nulle. C'est ce résultat qui fait de un produit scalaire sur les fonctions continues sur .
4Sommes de Riemann
4.1Énoncé
Théorème 4.1Sommes de Riemann
Hypothèses
- est continue par morceaux sur ;
- est à valeurs dans .
Alors
C'est la méthode des rectangles à gauche. La variante avec de à converge vers la même limite. On approche l'aire sous la courbe par rectangles de même largeur.
Dans cet exemple, chaque rectangle a pour largeur et pour hauteur , pour . Leur aire totale est ; quand le nombre de rectangles augmente, les sommes convergent vers .
4.2Idée de la démonstration dans le cas lipschitzien
La démonstration est exigible lorsque est lipschitzienne, c'est-à-dire lorsqu'il existe tel que pour tous , de .
Démonstration
Sur le -ième petit intervalle, de longueur , on a . En intégrant et en sommant, l'écart entre la somme de Riemann et l'intégrale est majoré par qui tend vers .
On obtient au passage la vitesse de convergence, en . Une fonction de classe sur un segment est lipschitzienne de rapport , par l'inégalité des accroissements finis : ce cas se traite donc de la même façon.
4.3Usage pratique
MéthodeLimite d'une somme
- Factoriser .
- Faire apparaître .
- Reconnaître une somme de Riemann.
Exemple 4.2Limite de
Le terme général s'écrit , somme de Riemann de sur . La limite vaut .
Attention
Le théorème suppose continue par morceaux sur le segment fermé. Une somme faisant intervenir sort de ce cadre, la fonction n'étant pas bornée en .
Numériquement, on compare la méthode des rectangles et celle des trapèzes.
5Intégrale et primitives
5.1Théorème fondamental
Théorème 5.1Théorème fondamental
Hypothèses
- est continue sur un intervalle ;
- .
Alors la fonction définie sur par est de classe sur et . Autrement dit, est la primitive de qui s'annule en .
Conséquences :
- toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives ;
- deux primitives d'une même fonction sur un intervalle diffèrent d'une constante ;
- si est une primitive quelconque de sur , alors .
Attention
- L'hypothèse « sur un intervalle » est essentielle : sur , les primitives de valent plus une constante par intervalle, et ces constantes peuvent différer.
- Si est seulement continue par morceaux, reste continue mais n'est dérivable qu'aux points de continuité de .
5.2Dérivation d'une intégrale à bornes variables
Propriété 5.2Bornes variables
Hypothèses
- et sont dérivables à valeurs dans ;
- est continue sur .
Alors est dérivable, de dérivée
On l'écrit et on compose.
5.3Primitives usuelles
Sont exigibles :
- les primitives des fonctions puissances, exponentielle, logarithme, trigonométriques et hyperboliques ;
- celle de , qui donne ;
- celle de , qui donne ;
- celle de , selon le signe du discriminant ;
- la reconnaissance d'une dérivée composée , qui donne , ou .
Les primitives de et se calculent en passant par avec , puis en prenant partie réelle ou imaginaire.
6Les deux techniques de calcul
6.1Intégration par parties
Théorème 6.1Intégration par parties
Hypothèses
- et sont de classe sur un intervalle contenant et .
Alors
Cas d'usage typiques :
- un polynôme fois une exponentielle ou une fonction trigonométrique, où l'on dérive le polynôme ;
- un logarithme ou un arctan seuls, où l'on prend ;
- une intégrale de Wallis, où l'IPP produit une relation de récurrence.
Exemple 6.2Calcul de
Avec et :
6.2Changement de variable
Théorème 6.3Changement de variable
Hypothèses
- est de classe sur un intervalle ;
- est continue sur ;
- et sont dans .
Alors
n'a besoin d'être ni bijective ni monotone.
- Sens direct : on reconnaît la forme et on pose .
- Sens inverse : on choisit une substitution, et doit alors être bijective de l'intervalle des nouvelles variables sur celui des anciennes pour traduire les bornes.
Attention
Oublier de changer les bornes est l'erreur la plus fréquente.
Exemple 6.4Calcul de
On pose avec , fonction de classe et bijective sur cet intervalle. L'intégrale devient , qui vaut par linéarisation.
Deux conséquences à savoir redémontrer ainsi :
- l'intégrale sur d'une fonction impaire est nulle, celle d'une fonction paire vaut deux fois celle sur ;
- pour continue -périodique, l'intégrale sur tout segment de longueur est la même.
6.3Fractions rationnelles
Pour primitiver une fraction rationnelle, on la décompose en éléments simples puis on intègre terme à terme. Les briques sont :
- , qui donne un logarithme ou une puissance ;
- les éléments de seconde espèce sur , ramenés après mise sous forme canonique à plus un multiple de .
7Formules de Taylor globales
7.1Formule de Taylor avec reste intégral
Théorème 7.1Taylor avec reste intégral
Hypothèses
- est de classe sur un intervalle ;
- et sont dans .
Alors
Démonstration
Récurrence sur . Le cas est . L'hérédité est une intégration par parties.
C'est une égalité exacte, valable sur tout l'intervalle et non seulement au voisinage de . Le prix à payer est l'hypothèse de classe .
7.2Inégalité de Taylor-Lagrange
Théorème 7.2Inégalité de Taylor-Lagrange
Sous les mêmes hypothèses, si est un majorant de sur le segment d'extrémités et , alors
On l'obtient en majorant le reste intégral. L'égalité de Taylor-Lagrange est hors programme en MPSI.
7.3Comparaison avec Taylor-Young
La formule de Taylor-Young dit que est la somme des mêmes termes plus quand tend vers . Elle est locale et ne donne aucune information chiffrée à distance finie de . Les formules globales donnent au contraire une majoration explicite de l'erreur, valable partout, au prix d'une dérivée de plus.
À retenir
Pour un développement limité, Taylor-Young. Pour une majoration ou une convergence, les formules globales.
Exemple 7.3Série exponentielle
Le majorant tend vers , d'où la convergence de la série exponentielle vers .
Méthodes
MéthodeMajorer une intégrale
- Majorer la fonction.
- Multiplier par la longueur du segment.
- Vérifier l'ordre des bornes avant toute inégalité.
MéthodeMontrer qu'une fonction continue positive est nulle
- Montrer que son intégrale est nulle.
- Invoquer le cas d'annulation.
MéthodeLimite d'une somme indexée par k de 1 à n
- Factoriser .
- Faire apparaître .
- Reconnaître une somme de Riemann.
MéthodeSuite d'intégrales
- Établir une relation de récurrence par intégration par parties, ou
- majorer l'intégrande pour la limite.
MéthodeFonction définie par une intégrale à borne variable
- Identifier une primitive.
- Dériver.
- Vérifier la continuité de l'intégrande.
MéthodeMajoration d'erreur d'approximation polynomiale
- Appliquer l'inégalité de Taylor-Lagrange.
- Prendre un majorant explicite de la dérivée d'ordre .
MéthodeChangement de variable
- Écrire en fonction de .
- Changer les bornes.
- Vérifier la classe , et la bijectivité si l'on substitue.
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Définir une fonction continue par morceaux sur un segment et donner un contre-exemple pour chaque hypothèse.
- Énoncer le théorème de Heine et dire à quoi il sert dans la construction de l'intégrale.
- Démontrer que si est continue positive sur d'intégrale nulle, alors est nulle.
- Démontrer la convergence des sommes de Riemann pour lipschitzienne, avec la majoration en .
- Calculer par somme de Riemann la limite de .
- Démontrer le théorème fondamental : la dérivée de est , pour continue.
- Démontrer la formule de Taylor avec reste intégral par récurrence, puis en déduire l'inégalité de Taylor-Lagrange.
- Calculer les intégrales de Wallis par intégration par parties et en déduire une relation de récurrence.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Une fonction lipschitzienne sur une partie de R y est uniformément continue. Exigible avec démonstration, c'est l'exemple cité par le programme.
- Théorème de Heine : une fonction continue sur un segment y est uniformément continue. La démonstration n'est pas exigible.
- Les fonctions continues par morceaux sur un segment, à valeurs dans K, forment un sous-espace vectoriel et un sous-anneau de l'ensemble des fonctions. Elles sont bornées. Exigible.
- Linéarité, positivité, croissance, inégalité triangulaire et relation de Chasles pour f, g continues par morceaux sur [a, b]. Exigibles à l'usage. Leur preuve dépend de la construction, que le programme n'impose pas.
- Cas b < a : Chasles et linéarité restent vraies, croissance et inégalité triangulaire exigent a ≤ b. Exigible.
- Si f est continue sur [a, b] avec a < b, à valeurs réelles positives, d'intégrale nulle, alors f est nulle sur [a, b]. Exigible avec démonstration.
- Intégrale d'une fonction paire ou impaire sur [−a, a], d'une fonction T-périodique sur un segment de longueur T. Exigibles avec démonstration.
- Sommes de Riemann pour f continue par morceaux sur [a, b]. Démonstration exigible pour f lipschitzienne, admise sinon.
- Pour f continue sur un intervalle I et a ∈ I, x ↦ ∫ de a à x de f est de classe C¹, de dérivée f. Exigible avec démonstration. Corollaire : toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives.
- Intégration par parties pour u, v de classe C¹, changement de variable pour φ de classe C¹ et f continue sur φ(I). Exigibles avec démonstration.
- Formule de Taylor avec reste intégral pour f de classe Cn+1 sur I. Exigible avec démonstration.
- Inégalité de Taylor-Lagrange. Exigible avec démonstration. L'égalité de Taylor-Lagrange est hors programme.
- Hors programme : l'étude systématique de la continuité uniforme.
Clés de démonstration
Lipschitzienne implique uniformément continue. Soit k un rapport de Lipschitz. Si k = 0, f est constante et tout δ convient. Sinon δ = ε/k convient, car |f(x) − f(y)| ≤ k|x − y| ≤ ε. Astuce : δ ne dépend que de ε, c'est l'uniformité.
Continue, positive, d'intégrale nulle. Soit a < b. On pose F(x) = ∫ de a à x de f. F est C¹ sur [a, b] de dérivée f ≥ 0, donc croissante, et F(a) = 0 = F(b). Donc F est nulle sur [a, b], et f = F' aussi. Astuce : la primitive évite l'argument local avec un ε. Pour f négative, on passe à −f. Si a = b, l'énoncé est faux : toute fonction a une intégrale nulle sur [a, a].
Sommes de Riemann, cas lipschitzien. On note h = (b − a)/n et xk = a + kh. Par Chasles, l'intégrale est la somme des ∫ de xk à x_(k+1) de f, et h f(xk) est l'intégrale de la constante f(xk) sur le même segment. Chaque écart est au plus ∫ de xk à x_(k+1) de M(t − xk) dt = Mh²/2, d'où un total M(b − a)²/(2n). Astuce : écrire chaque terme de la somme comme une intégrale de constante.
Théorème fondamental. On fixe x dans I et ε > 0, la continuité de f en x fournit δ. Pour 0 < |h| ≤ δ avec x + h ∈ I, (F(x + h) − F(x))/h − f(x) = (1/h) ∫ de x à x + h de (f(t) − f(x)) dt, de module au plus ε. Donc F'(x) = f(x), continue. Astuce : f(x) = (1/h) ∫ de x à x + h de f(x) dt, et majorer avec |h| pour couvrir h < 0.
Intégration par parties et changement de variable. Pour l'IPP, on intègre (uv)' = u'v + uv', qui est continue. Pour le changement de variable, φ(I) est un intervalle, f y a une primitive F, et (F∘φ)' = (f∘φ)φ'. Les deux membres valent F(φ(b)) − F(φ(a)). Astuce : on compare des primitives, on ne manipule jamais « dx ».
Parité et périodicité. Pour la parité, on substitue t = −x. Pour f continue T-périodique, g(x) = ∫ de x à x + T de f a pour dérivée f(x + T) − f(x) = 0, donc g est constante sur R. Si f est seulement continue par morceaux, on coupe en T par Chasles et on translate.
Taylor avec reste intégral. Récurrence sur n, le cas n = 0 étant le théorème fondamental. Pour l'hérédité, avec f de classe Cn+2, on intègre par parties le reste d'ordre n avec u(t) = −(x − t)n+1/(n+1)!, de dérivée (x − t)n/n!, et v = fn+1. Le crochet donne le terme fn+1(a)(x − a)n+1/(n+1)!, l'intégrale restante est le reste suivant. Astuce : choisir la primitive qui s'annule en t = x.
Inégalité de Taylor-Lagrange. On majore le module du reste par l'intégrale du module, bornes remises dans l'ordre croissant. On obtient M × ∫ |x − t|n/n! dt = M|x − a|n+1/(n+1)!. Astuce : si x < a, écrire d'abord ∫ de a à x = −∫ de x à a.
Exemples et contre-exemples à connaître
- x ↦ x² est lipschitzienne sur tout segment mais pas uniformément continue sur R, car (x + δ)² − x² = 2xδ + δ² n'est pas borné. Tout dépend du domaine.
- √ sur [0, 1] est uniformément continue par Heine mais pas lipschitzienne, car √x/x n'est pas bornée près de 0. Le cas lipschitzien des sommes de Riemann ne couvre pas tout.
- La fonction nulle sauf en un point où elle vaut 1 : positive, continue par morceaux, d'intégrale nulle, non nulle. La continuité est indispensable.
- sin(1/x), prolongée par 0 en 0, est bornée sur [0, 1] mais pas continue par morceaux, faute de limite en 0. Borné ne suffit pas.
- F(x) = ∫ de 0 à x de E(t) dt est continue, affine par morceaux, non dérivable en chaque entier, où la pente passe de n − 1 à n. Sans continuité de l'intégrande, le théorème fondamental tombe.
- Pour f(x) = x sur [0, 1], la somme de Riemann à gauche vaut 1/2 − 1/(2n). L'erreur en 1/n est atteinte.
- « ∫ de −1 à 1 de dx/x² = [−1/x] = −2 » est faux : négatif pour une fonction positive. L'intégrande n'est pas continue par morceaux sur le segment.
- ∫ de 1 à 0 de x dx = −1/2 < 0 pour une fonction positive. La positivité suppose des bornes croissantes.
Techniques du chapitre
Technique 1 : majorer l'intégrande pour une limite. Limite de Jn = ∫ de 0 à 1 de xn/(1 + x²) dx. Sur [0, 1], 0 ≤ xn/(1 + x²) ≤ xn. Par croissance, 0 ≤ Jn ≤ 1/(n + 1), donc Jn tend vers 0.
Technique 2 : reconnaître une somme de Riemann. Limite de Σ pour k de 1 à n de k/(n² + k²). Le terme vaut (1/n) × (k/n)/(1 + (k/n)²), somme de Riemann de x ↦ x/(1 + x²), continue sur [0, 1]. Limite : (1/2) ln 2.
Technique 3 : dériver une intégrale à bornes variables. g(x) = ∫ de x à 2x de e−t² dt. Avec F primitive de t ↦ e−t², g(x) = F(2x) − F(x), donc g'(x) = 2e−4x² − e−x².
Technique 4 : récurrence par intégration par parties. In = ∫ de 0 à 1 de xn ex dx. En dérivant xn, In = e − n I_(n−1) pour n ≥ 1. Avec I0 = e − 1, on obtient I1 = 1.
Technique 5 : symétrie par changement de variable. I = ∫ de 0 à π/2 de sin x/(sin x + cos x) dx. Le changement x = π/2 − t échange sin et cos, donc I égale l'intégrale J avec cos au numérateur. Or I + J = π/2, donc I = π/4.
Technique 6 : passer par les complexes. ∫ de 0 à π de ex cos x dx est la partie réelle de ∫ de 0 à π de e(1+i)x dx = (e(1+i)π − 1)/(1 + i) = −(eπ + 1)(1 − i)/2. Résultat : −(eπ + 1)/2.
Technique 7 : majorer une erreur par Taylor-Lagrange. Pour x ≥ 0, comparer ln(1 + x) et x − x²/2. La dérivée troisième 2/(1 + t)³ est au plus 2 sur [0, x]. Donc |ln(1 + x) − x + x²/2| ≤ 2x³/3! = x³/3.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Une limite de produit
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Déterminer la limite de un = ((2n)!/(n! nn))1/n.
Technique le logarithme transforme un produit en somme de Riemann.
Voir le corrigé
- (2n)!/n! = (n + 1)(n + 2)…(2n), donc (2n)!/(n! nn) = Π pour k de 1 à n de (1 + k/n), strictement positif.
- ln un = (1/n) Σ pour k de 1 à n de ln(1 + k/n), somme de Riemann à droite de x ↦ ln(1 + x), continue sur [0, 1].
- Donc ln un tend vers ∫ de 0 à 1 de ln(1 + x) dx = [(1 + x) ln(1 + x) − x] de 0 à 1 = 2 ln 2 − 1.
- Par continuité de exp, un tend vers 4/e.
piège : Oublier le facteur nn, ce qui laisse une somme de ln(n + k) qui n'est pas une somme de Riemann.
Exercice 2. Une fonction à valeurs dans {0, 1}
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Trouver les f continues de [0, 1] dans R telles que ∫ f² = ∫ f³ = ∫ f⁴, sur [0, 1].
Technique fabriquer une intégrande positive d'intégrale nulle.
Voir le corrigé
- Par linéarité, ∫ (f² − 2f³ + f⁴) = 0, soit ∫ f²(1 − f)² = 0.
- f²(1 − f)² est continue et positive, donc nulle. Ainsi f(x) vaut 0 ou 1 pour tout x.
- f est continue sur l'intervalle [0, 1], son image est un intervalle inclus dans {0, 1}, donc un point. f est constante égale à 0 ou 1.
- Réciproquement, ces deux constantes conviennent.
piège : S'arrêter à « f(x) ∈ {0, 1} » sans invoquer le théorème des valeurs intermédiaires.
Exercice 3. Une intégrale fonction de ses bornes
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Pour x > 1, F(x) = ∫ de x à x² de dt/ln t. Justifier que F est dérivable, calculer F', puis la limite de F en 1 à droite.
Technique dérivation via une primitive, encadrement de l'intégrande.
Voir le corrigé
- t ↦ 1/ln t est continue sur l'intervalle ]1, +∞[, qui contient x et x². Elle y a une primitive G, et F(x) = G(x²) − G(x).
- F'(x) = 2x/ln(x²) − 1/ln x = (x − 1)/ln x.
- On écrit 1/ln t = t × 1/(t ln t), avec x ≤ t ≤ x² et 1/(t ln t) > 0. Les bornes étant croissantes, x K ≤ F(x) ≤ x² K, où K = ∫ de x à x² de dt/(t ln t).
- K = [ln(ln t)] de x à x² = ln(2 ln x) − ln(ln x) = ln 2.
- Par encadrement, F(x) tend vers ln 2.
piège : Remplacer 1/ln t par un équivalent sous l'intégrale sans justification. Il faut un encadrement.
Exercice 4. Une symétrie qui calcule
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
Calculer I = ∫ de 0 à π de x sin x/(1 + cos²x) dx.
Technique changement de variable t = π − x, puis dérivée composée.
Voir le corrigé
- φ(t) = π − t est C¹ et échange 0 et π. On obtient I = ∫ de 0 à π de (π − t) sin t/(1 + cos²t) dt.
- Par linéarité, I = π ∫ de 0 à π de sin t/(1 + cos²t) dt − I.
- Une primitive de sin t/(1 + cos²t) est −arctan(cos t). L'intégrale vaut arctan(1) − arctan(−1) = π/2.
- Donc 2I = π²/2 et I = π²/4.
piège : Chercher une primitive de l'intégrande initiale. Le facteur x s'élimine par symétrie.
Exercice 5. Intégrales de Wallis
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
Wn = ∫ de 0 à π/2 de sinn t dt. Relier W_(n+2) et Wn, montrer que (n + 1)Wn W_(n+1) = π/2, puis donner un équivalent de Wn.
Technique IPP, suite constante, encadrement par monotonie.
Voir le corrigé
- On écrit sinn+2 = sinn+1 × sin, on intègre sin en −cos et on dérive sinn+1. Le crochet est nul. Il reste W_(n+2) = (n + 1) ∫ cos² sinn = (n + 1)(Wn − W_(n+2)), d'où (n + 2)W_(n+2) = (n + 1)Wn.
- vn = (n + 1)Wn W_(n+1) vérifie v_(n+1) = (n + 2)W_(n+2) W_(n+1) = vn. Elle est constante, égale à W0 W1 = π/2.
- sinn est continue, positive, non nulle sur [0, π/2], donc Wn > 0. Comme 0 ≤ sin ≤ 1, (Wn) décroît.
- W_(n+2) ≤ W_(n+1) ≤ Wn et W_(n+2)/Wn = (n + 1)/(n + 2) tend vers 1, donc W_(n+1)/Wn aussi.
- Alors (n + 1)W_n² ∼ π/2, et comme Wn > 0, Wn ∼ √(π/(2n)).
piège : Oublier de prouver Wn > 0 avant de diviser ou de prendre une racine.
Exercice 6. Une suite d'intégrales et ln 2
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
In = ∫ de 0 à 1 de xn/(1 + x) dx. Calculer In + I_(n+1), en déduire un équivalent de In, puis que Σ pour k de 0 à n de (−1)k/(k + 1) tend vers ln 2.
Technique relation entre termes consécutifs, encadrement par monotonie.
Voir le corrigé
- In + I_(n+1) = ∫ de 0 à 1 de xn dx = 1/(n + 1).
- Sur [0, 1], xn+1 ≤ xn, donc (In) décroît et reste positive.
- Pour n ≥ 1, 2I_n ≤ I_(n−1) + In = 1/n, et 2I_n ≥ In + I_(n+1) = 1/(n + 1).
- Donc 1/(2(n + 1)) ≤ In ≤ 1/(2n), et In ∼ 1/(2n).
- Par récurrence, I0 = Σ pour k de 0 à n de (−1)k/(k + 1) + (−1)n+1 I_(n+1). Comme I0 = ln 2 et I_(n+1) tend vers 0, la somme tend vers ln 2.
piège : Écrire 2I_n ≤ 1/n dès n = 0, où I_(−1) n'existe pas.
Exercice 7. Oscillations rapides
Classiques de khôlle et concours · D'après un écrit CCINP MP
Soit f de classe C¹ sur [a, b] à valeurs dans K. Montrer que ∫ de a à b de f(t) sin(λt) dt tend vers 0 quand λ tend vers +∞.
Technique IPP pour faire apparaître un facteur 1/λ.
Voir le corrigé
- Pour λ > 0, on intègre sin(λt) en −cos(λt)/λ et on dérive f.
- L'intégrale vaut [−f(t) cos(λt)/λ] de a à b + (1/λ) ∫ de a à b de f'(t) cos(λt) dt.
- f' est continue sur un segment, donc bornée par un M. Le module est au plus (|f(a)| + |f(b)| + M(b − a))/λ, qui tend vers 0.
piège : Appliquer l'IPP à une fonction seulement continue par morceaux. Le résultat reste vrai, mais sa preuve passe par les fonctions en escalier.
Exercice 8. Irrationalité de e
Approfondissement · Type oral Mines
Montrer que e est irrationnel grâce à la formule de Taylor avec reste intégral.
Technique reste strictement positif et petit, argument d'entier.
Voir le corrigé
- Taylor pour exp entre 0 et 1 : e = Sn + Rn, avec Sn = Σ pour k de 0 à n de 1/k! et Rn = ∫ de 0 à 1 de (1 − t)n et/n! dt.
- L'intégrande est continue, positive, et vaut 1/n! en 0, donc Rn > 0.
- et ≤ e sur [0, 1], donc Rn ≤ e ∫ de 0 à 1 de (1 − t)n/n! dt = e/(n + 1)!.
- Supposons e = p/q avec p, q entiers, q ≥ 1. Pour n ≥ q et n ≥ 2, n! e et n! Sn sont entiers, donc n! Rn aussi.
- Or 0 < n! Rn ≤ e/(n + 1) < 1. Contradiction.
piège : Oublier la stricte positivité de Rn, qui repose sur la continuité de l'intégrande.
Exercice 9. Vitesse exacte des rectangles
Approfondissement · Type oral Centrale
Soit f de classe C¹ sur [a, b], h = (b − a)/n, xk = a + kh et Rn = h Σ pour k de 0 à n − 1 de f(xk). Montrer que n(∫ de a à b de f − Rn) tend vers ((b − a)/2)(f(b) − f(a)).
Technique Heine appliqué à f', puis somme de Riemann de f'.
Voir le corrigé
- Soit ε > 0. Par Heine, il existe δ > 0 tel que |s − s'| ≤ δ entraîne |f'(s) − f'(s')| ≤ ε. On prend n tel que h ≤ δ.
- Pour t dans [xk, x_(k+1)], f(t) − f(xk) − (t − xk)f'(xk) = ∫ de xk à t de (f'(s) − f'(xk)) ds, de module au plus ε(t − xk).
- En intégrant sur [xk, x_(k+1)], ∫ de xk à x_(k+1) de (f(t) − f(xk)) dt diffère de f'(xk)h²/2 d'au plus εh²/2.
- On somme et on multiplie par n, avec nh = b − a : |n(∫f − Rn) − ((b − a)/2) Tn| ≤ ε(b − a)²/2, où Tn = h Σ f'(xk).
- Tn, somme de Riemann de f' continue, tend vers f(b) − f(a). Comme ε est arbitraire, on conclut.
piège : Utiliser les accroissements finis avec un point intermédiaire, qui n'existe pas pour f complexe. Le reste intégral d'ordre 0 évite ce piège. La méthode des trapèzes ajoute h(f(b) − f(a))/2 à Rn et supprime ce terme en 1/n.
Erreurs fréquentes
- Écrire une inégalité entre intégrales à bornes décroissantes. Vérifier a ≤ b ou remettre les bornes dans l'ordre.
- Appliquer « ∫ = G(b) − G(a) » à une fonction non continue sur tout le segment, comme 1/x² sur [−1, 1].
- Changer de variable sans changer les bornes, ou avec une fonction qui n'est pas C¹ sur tout l'intervalle, par exemple non dérivable en une borne.
- Reconnaître une somme de Riemann hors cadre : fonction non bornée sur le segment, comme ln x en 0, ou mauvais segment quand k va jusqu'à 2n et que l'intervalle est [0, 2].
- Conclure « f = 0 » d'une intégrale nulle sans vérifier que f est continue, de signe constant, et que a < b. Ou, dans Taylor-Lagrange, majorer la dérivée sur un intervalle qui ne contient pas le segment d'extrémités a et x.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de MPSI (2021), chapitre « Intégration » du second semestre. Elle couvre la continuité uniforme, les fonctions continues par morceaux, l'intégrale sur un segment et ses propriétés, les sommes de Riemann, le lien entre intégrale et primitive et les formules de Taylor globales. L'intégration par parties et le changement de variable relèvent des techniques fondamentales de calcul du premier semestre, elles sont reprises ici avec leurs hypothèses exactes. Dans tout ce qui suit, désigne ou , et un segment est un intervalle fermé borné avec .