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PCSI · Maths · semaine 31

Intégration

Subdivisions et fonctions en escalier pour définir l'intégrale d'une fonction continue sur un segment, avec la linéarité, la positivité, la croissance, l'inégalité triangulaire intégrale et la relation de Chasles. Sommes de Riemann, lien entre intégrale et primitive, existence de primitives pour toute fonction continue sur un intervalle. Inégalité de Taylor-Lagrange et brève extension de ces résultats aux fonctions à valeurs complexes.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. L'intégrale d'une fonction continue sur un segment se construit par encadrement par des fonctions en escalier, et c'est une aire algébrique.
  2. Linéarité et Chasles valent avec la convention de bornes inversées. Positivité, croissance et inégalité triangulaire exigent des bornes dans l'ordre croissant.
  3. Une fonction continue positive d'intégrale nulle est nulle, la continuité est indispensable.
  4. Toute fonction continue sur un intervalle a des primitives, et x↦∫axfx \mapsto \int_a^x f est celle qui s'annule en aa.
  5. Les sommes de Riemann convergent vers l'intégrale, et l'inégalité de Taylor-Lagrange donne un contrôle global de l'erreur d'approximation polynomiale.
Pourquoi ce chapitre

Au premier semestre, l'intégrale a servi d'outil de calcul, avec les primitives, l'intégration par parties et le changement de variable, mais sans définition. Ce chapitre paie la dette.

  • On construit l'intégrale d'une fonction continue sur un segment en l'encadrant par des fonctions en escalier, puis on établit la linéarité, la positivité, la croissance et la relation de Chasles.
  • On démontre le théorème qui relie intégrale et primitive, socle du calcul intégral.
  • Les sommes de Riemann font le pont entre analyse discrète et analyse continue, et fournissent la limite de sommes que l'on rencontre dans presque tous les sujets de concours.
  • L'inégalité de Taylor-Lagrange offre un contrôle global de l'erreur d'approximation polynomiale, à opposer au contrôle local de Taylor-Young.

La construction elle-même n'est pas un attendu du programme, mais il faut en avoir compris le principe.

1Fonctions en escalier

1.1Subdivisions

Définition 1.1Subdivision

Une subdivision du segment [a,b][a, b] est une famille finie de réels a=x0<x1<⋯<xn=ba = x_0 < x_1 < \dots < x_n = b. Le pas de la subdivision est le maximum des longueurs xi+1−xix_{i+1} - x_i. Elle est régulière quand tous ces écarts sont égaux à b−an\frac{b-a}{n}, et alors xi=a+i b−anx_i = a + i\,\frac{b-a}{n}.

1.2Fonctions en escalier

Définition 1.2Fonction en escalier

Une fonction ff de [a,b][a, b] dans R\R est en escalier s'il existe une subdivision telle que ff soit constante sur chaque intervalle ouvert ]xi,xi+1[]x_i, x_{i+1}[. Une telle subdivision est dite adaptée à ff.

Les valeurs aux points de subdivision sont quelconques et ne jouent aucun rôle.

Définition 1.3Intégrale d'une fonction en escalier

Avec cic_i la valeur constante de ff sur ]xi,xi+1[]x_i, x_{i+1}[, l'intégrale de ff est ∑i=0n−1ci (xi+1−xi).\sum_{i=0}^{n-1} c_i\,(x_{i+1} - x_i). C'est l'aire algébrique des rectangles.

Cette somme ne dépend pas de la subdivision adaptée choisie, on le vérifie en se ramenant à une subdivision commune plus fine.

1.3Principe de la construction

Pour ff continue sur [a,b][a, b], on considère les fonctions en escalier qui minorent ff et celles qui la majorent.

  • La borne supérieure des intégrales des minorantes égale la borne inférieure des intégrales des majorantes.
  • Cette valeur commune est l'intégrale de ff.
  • Le point technique, admis ici, est qu'une fonction continue sur un segment peut être approchée d'aussi près que l'on veut par des fonctions en escalier.

Remarque

Résultat admis. La construction n'est pas exigible, l'idée l'est. Pour les fonctions en escalier, la linéarité et la croissance de l'intégrale s'énoncent comme dans le cas continu.

2Intégrale d'une fonction continue sur un segment

2.1Notations et interprétation

On note l'intégrale de ff sur [a,b][a, b] sous la forme ∫[a,b]f\int_{[a,b]} f ou ∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,\dd t. La variable tt est muette.

Définition 2.1Interprétation géométrique

Pour ff positive, l'intégrale est l'aire de la portion de plan comprise entre le graphe de ff, l'axe des abscisses et les droites verticales d'abscisses aa et bb. Pour ff de signe quelconque, c'est une aire algébrique : les parties sous l'axe comptent négativement.

2.2Propriétés fondamentales

Propriété 2.2Linéarité

Hypothèses

  • ff et gg sont continues sur [a,b][a, b] ;
  • λ∈R\lambda \in \R.

Alors ∫ab(λf+g)=λ∫abf+∫abg.\int_a^b (\lambda f + g) = \lambda \int_a^b f + \int_a^b g.

Propriété 2.3Positivité

Hypothèses

  • ff est continue et positive sur [a,b][a, b] ;
  • a⩽ba \leqslant b.

Alors ∫abf⩾0\int_a^b f \geqslant 0.

Propriété 2.4Croissance

Hypothèses

  • ff et gg sont continues sur [a,b][a, b], avec f⩽gf \leqslant g ;
  • a⩽ba \leqslant b.

Alors ∫abf⩽∫abg\int_a^b f \leqslant \int_a^b g.

Démonstration

C'est la positivité appliquée à g−fg - f, avec la linéarité.

Propriété 2.5Inégalité triangulaire intégrale

Hypothèses

  • ff est continue sur [a,b][a, b] ;
  • a⩽ba \leqslant b.

Alors ∣∫abf∣⩽∫ab∣f∣.\left|\int_a^b f\right| \leqslant \int_a^b |f|.

Démonstration

On encadre ff : −∣f∣⩽f⩽∣f∣-|f| \leqslant f \leqslant |f|. Par croissance et linéarité, −∫ab∣f∣⩽∫abf⩽∫ab∣f∣-\int_a^b |f| \leqslant \int_a^b f \leqslant \int_a^b |f|.

Propriété 2.6Majoration standard

Hypothèses

  • ff est continue sur [a,b][a, b] et ∣f∣⩽M|f| \leqslant M ;
  • a⩽ba \leqslant b.

Alors ∣∫abf∣⩽M(b−a)\left|\int_a^b f\right| \leqslant M(b - a).

C'est la majoration la plus utilisée en pratique.

Propriété 2.7Relation de Chasles

Hypothèses

  • ff est continue sur un intervalle II ;
  • aa, bb, cc sont dans II, dans un ordre quelconque.

Alors, avec la convention des bornes inversées ci-dessous, ∫abf=∫acf+∫cbf.\int_a^b f = \int_a^c f + \int_c^b f.

Définition 2.8Extension de la notation

Pour b<ab < a, on pose ∫abf=−∫baf\int_a^b f = -\int_b^a f.

Avec cette convention, Chasles vaut sans condition d'ordre, la linéarité aussi.

Attention

Positivité, croissance et inégalité triangulaire exigent a⩽ba \leqslant b. Pour b<ab < a, on se ramène à l'ordre croissant : ∣∫abf∣⩽∫ba∣f∣\left|\int_a^b f\right| \leqslant \int_b^a |f|. C'est le piège le plus fréquent du chapitre.

2.3Le théorème de la fonction positive d'intégrale nulle

Théorème 2.9Fonction positive d'intégrale nulle

Hypothèses

  • ff est continue sur [a,b][a, b], à valeurs positives, avec a<ba < b ;
  • ∫abf=0\int_a^b f = 0.

Alors ff est la fonction nulle.

Démonstration

Par l'absurde, supposons f(x0)>0f(x_0) > 0 pour un certain x0x_0. Par continuité, f⩾f(x0)/2f \geqslant f(x_0)/2 sur un petit intervalle de longueur strictement positive autour de x0x_0, intersecté avec [a,b][a, b]. En découpant l'intégrale par Chasles et en utilisant la positivité sur les autres morceaux, l'intégrale est minorée par une quantité strictement positive, ce qui contredit l'hypothèse.

Attention

La continuité est essentielle. Une fonction nulle partout sauf en un point a une intégrale nulle sans être nulle, mais elle n'est pas continue.

Propriété 2.10Conséquence classique

Si ff et gg sont continues sur [a,b][a, b] avec a<ba < b, f⩽gf \leqslant g et ∫abf=∫abg\int_a^b f = \int_a^b g, alors f=gf = g.

Ce résultat servira au chapitre sur les espaces préhilbertiens, pour montrer que l'intégrale du produit définit bien un produit scalaire.

2.4Symétries et valeur moyenne

Propriété 2.11Parité et imparité

Hypothèse : ff est continue sur [−a,a][-a, a].

  • Si ff est paire, ∫−aaf=2∫0af\int_{-a}^{a} f = 2\int_0^a f.
  • Si ff est impaire, ∫−aaf=0\int_{-a}^{a} f = 0.

Propriété 2.12Fonction périodique

Hypothèses

  • ff est continue sur R\R et périodique de période T>0T > 0.

Alors, pour tout réel aa, ∫aa+Tf=∫0Tf.\int_a^{a+T} f = \int_0^T f.

Démonstration

Par Chasles, ∫aa+Tf=∫aTf+∫Ta+Tf\int_a^{a+T} f = \int_a^{T} f + \int_T^{a+T} f. Le changement de variable u=t−Tu = t - T donne ∫Ta+Tf=∫0af\int_T^{a+T} f = \int_0^{a} f, par périodicité. Donc la somme vaut ∫aTf+∫0af=∫0Tf\int_a^T f + \int_0^a f = \int_0^T f.

Définition 2.13Valeur moyenne

La valeur moyenne de ff continue sur [a,b][a, b], avec a<ba < b, est 1b−a∫abf.\frac{1}{b-a}\int_a^b f.

Démonstration

Pour ff continue sur [a,b][a, b], notons mm et MM son minimum et son maximum, qui existent. Par croissance, m(b−a)⩽∫abf⩽M(b−a)m(b-a) \leqslant \int_a^b f \leqslant M(b-a), donc la valeur moyenne est dans [m,M][m, M]. Par le théorème des valeurs intermédiaires, ff atteint cette valeur au moins une fois.

3Sommes de Riemann

3.1Énoncé

Théorème 3.1Sommes de Riemann

Hypothèse : ff est continue sur [a,b][a, b].

Alors b−an∑k=0n−1f ⁣(a+k b−an)→n→+∞∫abf.\frac{b-a}{n}\sum_{k=0}^{n-1} f\!\left(a + k\,\frac{b-a}{n}\right) \xrightarrow[n\to+\infty]{} \int_a^b f.

On découpe [a,b][a, b] en nn morceaux égaux et on approche l'aire par des rectangles appuyés sur l'extrémité gauche de chaque morceau. On peut aussi prendre l'extrémité droite, avec kk de 1 à nn : la limite est la même.

3.2Idée de la démonstration dans le cas lipschitzien

Démonstration

Supposons ff lipschitzienne de rapport KK sur [a,b][a, b]. Posons h=b−anh = \frac{b-a}{n}. Sur le kk-ième morceau, on compare l'intégrale de ff et l'aire du rectangle. La différence est majorée par Kh2/2K h^2/2. En sommant sur les nn morceaux, l'erreur totale est majorée par n Kh22=K(b−a)22n,n\,\frac{K h^2}{2} = \frac{K (b-a)^2}{2n}, qui tend vers 00. Le cas général s'en déduit par approximation, mais il est admis.

3.3Usage pratique

C'est le sens inverse qui est utile aux concours. Devant une somme dépendant de nn, on cherche à l'écrire sous la forme 1n∑g(k/n)\frac{1}{n}\sum g(k/n), ce qui donne une limite égale à ∫01g\int_0^1 g.

Exemple 3.2Somme des 1/(n+k)1/(n+k)

∑k=1n1n+k=1n∑k=1n11+k/n.\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{n+k} = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{1 + k/n}. Sa limite est ∫01dt1+t=ln⁡2\int_0^1 \frac{\dd t}{1+t} = \ln 2.

Exemple 3.3Somme des n/(n2+k2)n/(n^2+k^2)

∑k=1nnn2+k2=1n∑k=1n11+(k/n)2\sum_{k=1}^{n}\frac{n}{n^2+k^2} = \frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{1 + (k/n)^2} tend vers ∫01dt1+t2=π4\int_0^1 \frac{\dd t}{1+t^2} = \frac{\pi}{4}.

Attention

Il faut isoler le facteur 1/n1/n et vérifier que tout le reste ne dépend de kk et nn que par le quotient k/nk/n. Sinon la méthode ne s'applique pas.

Remarque

Comparaison de méthodes numériques. La méthode des rectangles a une erreur qui décroît comme 1/n1/n. La méthode des trapèzes, qui remplace chaque rectangle par un trapèze appuyé sur les deux extrémités, a une erreur qui décroît comme 1/n21/n^2 pour une fonction assez régulière : elle est nettement plus performante à coût de calcul égal.

4Lien entre intégrale et primitive

4.1Théorème fondamental

Théorème 4.1Théorème fondamental

Hypothèses

  • ff est continue sur un intervalle II ;
  • a∈Ia \in I.

Alors la fonction F:x↦∫axf(t) dtF : x \mapsto \int_a^x f(t)\,\dd t est dérivable sur II, et F′=fF' = f. C'est l'unique primitive de ff qui s'annule en aa.

Démonstration

Pour xx fixé et h≠0h \neq 0 petit, par Chasles, F(x+h)−F(x)=∫xx+hfF(x+h) - F(x) = \int_x^{x+h} f. On retranche hf(x)=∫xx+hf(x) dth f(x) = \int_x^{x+h} f(x)\,\dd t. Par la majoration standard sur le segment d'extrémités xx et x+hx + h (de longueur ∣h∣|h|, quel que soit le signe de hh), ∣F(x+h)−F(x)−hf(x)∣⩽∣h∣ max⁡t∣f(t)−f(x)∣,\left|F(x+h) - F(x) - h f(x)\right| \leqslant |h|\,\max_t |f(t) - f(x)|, le maximum portant sur tt entre xx et x+hx + h. La continuité de ff en xx rend ce maximum aussi petit que l'on veut, donc le taux d'accroissement tend vers f(x)f(x).

Corollaire 4.2

Toute fonction continue sur un intervalle possède des primitives, et deux primitives diffèrent d'une constante.

Corollaire 4.3Calcul d'une intégrale

Si FF est une primitive quelconque de ff continue, alors ∫abf=F(b)−F(a)\int_a^b f = F(b) - F(a).

Attention

La continuité de ff donne la dérivabilité de FF : FF est toujours plus régulière que ff d'un cran. Pour une borne variable, si F(x)=∫au(x)fF(x) = \int_a^{u(x)} f, alors F′(x)=u′(x) f(u(x))F'(x) = u'(x)\,f(u(x)), par composition. Si les deux bornes dépendent de xx, on coupe en un point fixe par Chasles.

4.2Techniques de calcul, rappel

L'intégration par parties et le changement de variable, vus au premier semestre, se justifient maintenant complètement à partir de ce théorème.

  • Pour l'intégration par parties, on intègre la dérivée du produit uvuv.
  • Pour le changement de variable, on dérive la composée F∘φF \circ \varphi.

5Inégalité de Taylor-Lagrange

Théorème 5.1Inégalité de Taylor-Lagrange

Hypothèses

  • ff est de classe Cn+1C^{n+1} sur un intervalle II ;
  • aa et xx sont dans II ;
  • MM majore ∣f(n+1)∣|f^{(n+1)}| sur le segment d'extrémités aa et xx.

Alors ∣f(x)−∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k∣⩽M ∣x−a∣n+1(n+1)!.\left| f(x) - \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \right| \leqslant M\,\frac{|x-a|^{n+1}}{(n+1)!}.

La somme est le polynôme de Taylor de ff à l'ordre nn en aa.

Remarque

Nature du résultat. Taylor-Young est un énoncé local : il décrit le comportement quand xx tend vers aa et ne dit rien à distance fixée. Taylor-Lagrange est un énoncé global et quantitatif, valable sur tout un segment, au prix d'une hypothèse de régularité supplémentaire et de la connaissance d'un majorant MM. La formule de Taylor avec reste intégral n'est pas exigible, et l'égalité de Taylor-Lagrange est hors programme.

Exemple 5.2Exponentielle

Pour f=exp⁡f = \exp, a=0a = 0 et x∈[0,1]x \in [0, 1], on a ∣f(n+1)∣⩽e|f^{(n+1)}| \leqslant \e sur le segment [0,x][0, x]. L'erreur commise en remplaçant ex\e^x par ∑k=0nxkk!\sum_{k=0}^{n} \frac{x^k}{k!} est majorée par e(n+1)!\frac{\e}{(n+1)!}. Cette majoration tend vers 00, ce qui prouve que la série de terme xkk!\frac{x^k}{k!} converge vers ex\e^x. C'est le lien avec le chapitre sur les séries numériques.

6Extension aux fonctions à valeurs complexes

Définition 6.1Intégrale d'une fonction à valeurs complexes

Pour ff continue de [a,b][a, b] dans C\C, on pose ∫abf=∫abRe⁡(f)+i∫abIm⁡(f).\int_a^b f = \int_a^b \operatorname{Re}(f) + \ii \int_a^b \Im(f).

L'intégrale est alors linéaire, y compris pour les scalaires complexes, et la relation de Chasles subsiste.

Propriété 6.2Majoration du module

Hypothèses

  • ff est continue de [a,b][a, b] dans C\C ;
  • a⩽ba \leqslant b.

Alors ∣∫abf∣⩽∫ab∣f∣\left|\int_a^b f\right| \leqslant \int_a^b |f|.

Démonstration

Posons I=∫abfI = \int_a^b f. Si I=0I = 0, c'est clair. Sinon, écrivons I=∣I∣ eiθI = |I|\,\e^{\ii\theta}. Alors ∣I∣=e−iθI=∫abe−iθf|I| = \e^{-\ii\theta} I = \int_a^b \e^{-\ii\theta} f. Ce nombre est réel, donc égal à sa partie réelle ∫abRe⁡(e−iθf)\int_a^b \operatorname{Re}(\e^{-\ii\theta} f). Or Re⁡(e−iθf)⩽∣f∣\operatorname{Re}(\e^{-\ii\theta} f) \leqslant |f|, d'où ∣I∣⩽∫ab∣f∣|I| \leqslant \int_a^b |f| par croissance dans le cas réel.

L'inégalité de Taylor-Lagrange s'étend aussi au cas complexe.

Attention

Les notions de positivité et de croissance n'ont aucun sens pour des fonctions à valeurs complexes. Le théorème de la fonction positive d'intégrale nulle ne s'applique qu'au cas réel.

Exemple 6.3Orthogonalités trigonométriques

Pour n∈Zn \in \Z, ∫02πeint dt\int_0^{2\pi} \e^{\ii n t}\,\dd t vaut 00 si n≠0n \neq 0, et 2π2\pi si n=0n = 0. Ce calcul est la base de toutes les orthogonalités trigonométriques.

Méthodes

MéthodeMajorer une intégrale

  1. Majorer la fonction sur le segment.
  2. Intégrer l'inégalité, en gardant en tête la majoration par M(b−a)M(b-a).
  3. Vérifier que les bornes sont dans le bon ordre.

MéthodeÉtudier une fonction définie par une intégrale à borne variable

  1. L'écrire comme composée de la primitive et des bornes.
  2. Dériver.

MéthodeReconnaître une somme de Riemann

  1. Factoriser 1/n1/n.
  2. Chercher une écriture en k/nk/n.
  3. Conclure avec l'intégrale de gg sur [0,1][0, 1].

MéthodeMontrer qu'une fonction continue positive est nulle

  1. Calculer ou montrer que son intégrale est nulle.
  2. Appliquer le théorème de la fonction positive d'intégrale nulle.

MéthodeObtenir une inégalité fine

  1. Penser à l'inégalité de Taylor-Lagrange.
  2. Identifier clairement l'ordre nn et le majorant MM.

MéthodeFonction paire, impaire ou périodique

  1. Exploiter la symétrie avant de calculer.
  2. Cela évite souvent tout le calcul.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Définir une subdivision, une fonction en escalier, et l'intégrale d'une fonction en escalier.
  2. Expliquer en quelques phrases comment on définit l'intégrale d'une fonction continue par encadrement.
  3. Démontrer l'inégalité triangulaire intégrale et la majoration par M(b−a)M(b-a), en précisant l'ordre des bornes.
  4. Démontrer qu'une fonction continue positive d'intégrale nulle est nulle, et donner le contre-exemple sans continuité.
  5. Démontrer que x↦∫axfx \mapsto \int_a^x f est dérivable de dérivée ff, pour ff continue.
  6. Reconnaître et calculer la limite d'une somme de Riemann, par exemple la somme des 1n+k\frac{1}{n+k}.
  7. Énoncer l'inégalité de Taylor-Lagrange avec toutes ses hypothèses et l'appliquer à l'exponentielle.
  8. Dériver une fonction définie par une intégrale dont les deux bornes dépendent de xx.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Intégrale d'une fonction en escalier. La définition est exigible. La preuve de son indépendance vis-à-vis de la subdivision adaptée n'est pas attendue.
  • Intégrale d'une fonction continue sur un segment, obtenue par encadrement par des fonctions en escalier. La construction n'est pas exigible, son principe doit être compris.
  • Linéarité, positivité pour a ≤ b, croissance pour a ≤ b. Elles sont admises à partir de la construction. La croissance découle de la positivité appliquée à g − f.
  • Inégalité triangulaire intégrale, pour f continue et a ≤ b. Exigible avec démonstration.
  • Majoration par M(b − a) lorsque |f| ≤ M sur [a, b] et a ≤ b. Exigible.
  • Relation de Chasles, pour f continue sur un intervalle contenant a, b et c, sans condition d'ordre grâce à la convention des bornes inversées. Exigible.
  • Si f est continue et positive sur [a, b], avec a < b, et d'intégrale nulle, alors f est nulle. Exigible avec démonstration. Contraposée : une fonction continue, positive et non nulle a une intégrale strictement positive.
  • Intégrale d'une fonction paire ou impaire sur [−a, a]. Intégrale d'une fonction continue T-périodique sur un intervalle de longueur T. Exigibles avec démonstration.
  • Valeur moyenne d'une fonction continue sur [a, b], avec a < b. Elle est atteinte. Exigible.
  • Sommes de Riemann à gauche et à droite, pour f continue sur [a, b]. Preuve suggérée par le programme, sans être exigée, dans le cas lipschitzien. Cas général admis.
  • Dérivabilité de x ↦ ∫ de a à x de f(t) dt, de dérivée f, pour f continue sur un intervalle I et a dans I. Exigible avec démonstration. Corollaires : existence de primitives, et ∫ de a à b de f = F(b) − F(a).
  • Intégration par parties pour u et v de classe C¹. Changement de variable pour φ de classe C¹ et f continue. Exigibles.
  • Inégalité de Taylor-Lagrange, pour f de classe Cn+1 sur I, a et x dans I, et M majorant de |fn+1| sur le segment d'extrémités a et x. Énoncé exigible. La preuve par récurrence est classique.
  • Cas complexe : définition par parties réelle et imaginaire, linéarité sur C, Chasles, |∫ f| ≤ ∫ |f| pour a ≤ b, Taylor-Lagrange. Exigibles.
  • Méthode des trapèzes : on attend une comparaison qualitative avec les rectangles, pas une majoration précise de l'erreur.
  • Hors programme ou non exigible ici : la formule de Taylor avec reste intégral (non exigible), l'égalité de Taylor-Lagrange (hors programme), les intégrales sur un intervalle non borné (deuxième année), et toute interversion de limite et d'intégrale.

Clés de démonstration

Inégalité triangulaire. On part de −|f| ≤ f ≤ |f|. On intègre par croissance, avec a ≤ b. Astuce : une valeur absolue se traite par un double encadrement.

Fonction positive d'intégrale nulle. Par contraposée, on suppose f(x₀) = c > 0. La continuité avec ε = c/2 donne un segment [α, β] inclus dans [a, b], avec α < β, sur lequel f ≥ c/2. On découpe par Chasles et on minore les autres morceaux par 0, ce qui donne ∫ f ≥ (β − α)c/2 > 0. Astuce : si x₀ vaut a ou b, on prend un demi-voisinage.

Parité. On coupe en 0 et on pose t = −u sur [−a, 0]. Les deux morceaux sont égaux si f est paire, opposés si f est impaire. Astuce : le signe moins de dt remet les bornes dans l'ordre.

Périodicité. On pose G(x) = ∫ de x à x + T de f. Alors G'(x) = f(x + T) − f(x) = 0, donc G est constante sur l'intervalle R. Astuce : dériver par rapport à la borne évite tout découpage.

Théorème fondamental. On écrit h f(x) comme l'intégrale de la constante f(x) entre x et x + h. On majore |F(x + h) − F(x) − h f(x)| par |h| fois le maximum de |f(t) − f(x)| pour t entre x et x + h. Astuce : écrire |h| couvre le cas h < 0.

Sommes de Riemann, cas lipschitzien. Sur [xk, x_(k+1)], de longueur h, l'écart entre ∫ f et h f(xk) vaut au plus ∫ K(t − xk) dt = K h²/2. En sommant, l'erreur totale est au plus K(b − a)²/(2n). Astuce : même geste qu'au théorème fondamental, et la vitesse en 1/n apparaît gratuitement.

Taylor-Lagrange. Récurrence sur n, avec x ≥ a, l'autre cas étant symétrique. Pour n = 0, |f(x) − f(a)| = |∫ de a à x de f'| ≤ M(x − a). Pour l'hérédité, on pose R = f − Tn(f). Alors R' = f' − T_(n−1)(f'), et l'hypothèse appliquée à f' donne |R'(t)| ≤ M(t − a)ⁿ/n! sur [a, x]. On intègre, avec R(a) = 0. Astuce : la dérivée du polynôme de Taylor de f est celui de f' à l'ordre inférieur.

Module de l'intégrale complexe. Si ∫ f ≠ 0, on écrit ∫ f = r eiθ avec r > 0. Alors r = ∫ e−iθ f est réel, donc égal à ∫ Re(e−iθ f), majoré par ∫ |f|. Astuce : on tourne l'intégrale pour la rendre réelle positive.

Valeur moyenne. f atteint sur le segment un minimum m et un maximum M. On intègre m ≤ f ≤ M, on divise par b − a, et le TVI conclut. Astuce : invoquer les bornes atteintes avant le TVI.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. La fonction nulle sur [0, 1] sauf en 1/2, où elle vaut 1. Son intégrale est nulle, elle n'est pas nulle : la continuité est indispensable au théorème de nullité.
  2. Le sinus sur [0, 2π], continu, d'intégrale nulle, non nul : la positivité est indispensable au même théorème.
  3. ∫ de 1 à 0 de dt vaut −1. L'intégrande est positive, l'intégrale négative : la positivité exige a ≤ b.
  4. f égale à 0 sur [−1, 0[ et à 1 sur [0, 1]. Alors ∫ de 0 à x de f vaut max(x, 0), non dérivable en 0. Sans continuité de f, on perd F' = f.
  5. f égale à −1 sur [−1, 0[ et à 1 sur [0, 1]. Sa moyenne est 0, valeur jamais prise : la continuité est nécessaire.
  6. La racine carrée n'est pas lipschitzienne sur [0, 1], pourtant la somme des √k, pour k de 1 à n, divisée par n3/2, tend vers 2/3. L'hypothèse lipschitzienne ne sert qu'à la preuve.
  7. La somme des 1/√(n² + k), pour k de 1 à n, n'est pas une somme de Riemann. On l'encadre entre n/√(n² + n) et 1, donc elle tend vers 1.
  8. Pour tout réel x, |sin x − x| ≤ |x|³/6. C'est Taylor-Lagrange à l'ordre 2 en 0 avec M = 1. L'énoncé est global, alors que sin x = x + o(x²) ne dit rien en x = 10.
  9. Pour x réel, |expn+1| est majoré par max(1, eˣ) entre 0 et x. L'erreur est au plus max(1, eˣ)|x|n+1/(n+1)!, qui tend vers 0. Donc eˣ est la limite des sommes des xk/k! pour tout x réel.

Techniques du chapitre

Encadrer puis intégrer. Mini-exercice : In = ∫ de 0 à 1 de tⁿ/(1 + t) dt. Sur [0, 1], 0 ≤ tⁿ/(1 + t) ≤ tⁿ. Donc 0 ≤ In ≤ 1/(n + 1), et In tend vers 0.

Sortir la variable avant de dériver. Mini-exercice : H(x) = ∫ de 0 à x de (x − t) f(t) dt, f continue. On écrit H(x) = x ∫ de 0 à x de f − ∫ de 0 à x de t f(t) dt. Alors H'(x) = ∫ de 0 à x de f + x f(x) − x f(x), donc H'' = f.

Reconnaître une somme de Riemann. Mini-exercice : la somme des k/(n² + k²), pour k de 1 à n, vaut (1/n) fois la somme des (k/n)/(1 + (k/n)²). Elle tend vers ∫ de 0 à 1 de t/(1 + t²) dt = ln(2)/2.

Symétrie x ↦ a + b − x. Mini-exercice : I = ∫ de 0 à π/2 de sin x/(sin x + cos x) dx, dénominateur au moins 1. Avec x = π/2 − u, I = ∫ de 0 à π/2 de cos/(cos + sin). En additionnant, 2I = π/2, donc I = π/4.

Positivité stricte. Mini-exercice : si P est un polynôme réel avec ∫ de 0 à 1 de P² = 0, alors P² est continue, positive, donc nulle sur [0, 1]. P a une infinité de racines, donc P = 0.

Taylor-Lagrange avec un bon majorant. Mini-exercice : pour x ≥ 0, |ln(1 + x) − x + x²/2| ≤ x³/3. La dérivée troisième 2/(1 + t)³ est au plus 2 sur [0, x], d'où la borne 2x³/3!.

Passer par les complexes. Mini-exercice : ∫ de 0 à π de eᵗ cos t dt est la partie réelle de ∫ de 0 à π de e(1+i)t dt = (e(1+i)π − 1)/(1 + i) = −(eπ + 1)(1 − i)/2. Elle vaut donc −(eπ + 1)/2.

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1. Trois limites de sommes

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Limites de (a) la somme des 1/√(n² + kn), pour k de 1 à n, (b) un = (1/n)((2n)!/n!)1/n, (c) la somme des 1/(n + k), pour k de 1 à 2n.

Technique isoler 1/n, et passer au logarithme pour un produit.

Voir le corrigé
  1. (a) √(n² + kn) = n√(1 + k/n). La somme tend vers ∫ de 0 à 1 de dt/√(1 + t) = 2√2 − 2.
  2. (b) (2n)!/n! est le produit des (n + k), égal à nⁿ fois le produit des (1 + k/n). Donc ln un = (1/n) fois la somme des ln(1 + k/n).
  3. Cette somme tend vers ∫ de 0 à 1 de ln(1 + t) dt = 2 ln 2 − 1. Par continuité de l'exponentielle, un tend vers 4/e.
  4. (c) La somme vaut (1/n) fois la somme des 1/(1 + k/n), avec k/n dans ]0, 2]. C'est une somme de Riemann de pas 1/n sur [0, 2], qui tend vers ln 3.

piège : En (c), intégrer sur [0, 1] alors que k/n monte jusqu'à 2.

Exercice 2. Une intégrale sans primitive visible

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Calculer I = ∫ de 0 à π de x sin x/(1 + cos² x) dx.

Technique la substitution x = π − u élimine le facteur x.

Voir le corrigé
  1. Avec x = π − u, I = ∫ de 0 à π de (π − u) sin u/(1 + cos² u) du.
  2. Donc I = πJ − I, avec J = ∫ de 0 à π de sin u/(1 + cos² u) du.
  3. Avec w = cos u, dw = −sin u du, et J = ∫ de −1 à 1 de dw/(1 + w²) = π/2.
  4. Finalement I = π²/4.

piège : Tenter une intégration par parties, qui n'aboutit pas.

Exercice 3. Un point fixe par l'intégrale

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Soit f continue de [0, 1] dans R avec ∫ de 0 à 1 de f = 1/2. Montrer que f admet un point fixe.

Technique contraposée du théorème de nullité, puis TVI.

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  1. g(x) = f(x) − x est continue et ∫ de 0 à 1 de g = 0.
  2. Si g ne s'annule pas, le TVI impose un signe strict constant.
  3. Si g > 0, g est continue, positive, non nulle, donc ∫ g > 0, contradiction. Si g < 0, même raisonnement avec −g.
  4. Donc g s'annule en c, et f(c) = c.

piège : Écrire « ∫ g = 0 donc g = 0 », faux sans positivité.

Exercice 4. Deux bornes variables

Classiques de khôlle et concours · Niveau khôlle

Pour x > 1, G(x) = ∫ de x à x² de dt/ln t. Calculer G', puis la limite de G en 1 par la droite.

Technique primitive abstraite, puis encadrement vers une intégrale calculable.

Voir le corrigé
  1. Pour x > 1, on a 1 < x < x², et 1/ln t est continue sur ]1, +∞[. Elle y admet une primitive Φ, non explicite.
  2. G(x) = Φ(x²) − Φ(x), donc G'(x) = 2x/ln(x²) − 1/ln x = (x − 1)/ln x.
  3. On écrit 1/ln t = t × 1/(t ln t), avec 1/(t ln t) > 0. Comme x ≤ t ≤ x², on a x K(x) ≤ G(x) ≤ x² K(x), où K(x) = ∫ de x à x² de dt/(t ln t).
  4. K(x) = ln(ln x²) − ln(ln x) = ln 2. Par encadrement, G tend vers ln 2.

piège : Oublier le facteur 2x venant de la borne x², ou chercher une primitive explicite de 1/ln t.

Exercice 5. Intégrales de Wallis

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP

Wn = ∫ de 0 à π/2 de sinⁿ t dt. Montrer que Wn > 0 et que la suite décroît. Établir (n + 2)W_(n+2) = (n + 1)Wn, puis (n + 1)W_(n+1)Wn = π/2. En déduire Wn équivalent à √(π/(2n)).

Technique intégration par parties, puis suite constante.

Voir le corrigé
  1. sinⁿ est continue, positive, non nulle sur [0, π/2], donc Wn > 0. Comme sinn+1 ≤ sinⁿ, la suite décroît.
  2. W_(n+2) = ∫ sinn+1 × sin. Par parties avec v = −cos, le crochet est nul et il reste (n + 1)∫ sinⁿ cos² = (n + 1)(Wn − W_(n+2)).
  3. En multipliant par W_(n+1), la suite (n + 1)W_(n+1)Wn est constante, égale à W1 W0 = π/2.
  4. Par décroissance, (n + 1)/(n + 2) = W_(n+2)/Wn ≤ W_(n+1)/Wn ≤ 1, donc W_(n+1)/Wn tend vers 1.
  5. Ainsi n W_n² est équivalent à (n + 1)W_(n+1)Wn = π/2, d'où l'équivalent.

piège : Diviser par Wn sans avoir prouvé qu'il est non nul.

Exercice 6. Oscillations rapides

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP

Soit f de classe C¹ sur [a, b]. Montrer que ∫ de a à b de f(t) sin(nt) dt tend vers 0.

Technique une intégration par parties fait apparaître 1/n.

Voir le corrigé
  1. On intègre par parties avec u = f et v = −cos(nt)/n, toutes deux de classe C¹.
  2. L'intégrale vaut [−f(t)cos(nt)/n] entre a et b, plus (1/n)∫ f'(t)cos(nt) dt.
  3. Elle est donc majorée en valeur absolue par (|f(a)| + |f(b)| + (b − a) max|f'|)/n, qui tend vers 0.

piège : Oublier le rôle de l'hypothèse C¹. Pour f seulement continue, le résultat reste vrai, mais la preuve, par fonctions en escalier, est nettement plus délicate.

Exercice 7. Une limite sans interversion

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP

Soit f continue sur [0, 1] et un = ∫ de 0 à 1 de f(tⁿ) dt. Montrer que un tend vers f(0).

Technique couper le segment en un point qui dépend de n.

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  1. Soit M le maximum de |f| et ε > 0. La continuité en 0 donne δ dans ]0, 1[ tel que |f(u) − f(0)| ≤ ε pour u dans [0, δ].
  2. On pose an = δ1/n = exp(ln δ/n), qui tend vers 1. Pour t dans [0, an], tⁿ ≤ δ.
  3. |un − f(0)| ≤ ∫ de 0 à 1 de |f(tⁿ) − f(0)| dt. Coupé en an, le premier morceau vaut au plus ε, le second au plus 2M(1 − an).
  4. Pour n assez grand, 2M(1 − an) ≤ ε, donc |un − f(0)| ≤ 2ε.

piège : Passer à la limite sous l'intégrale parce que tⁿ tend vers 0. Cette interversion n'est pas justifiable avec le programme.

Exercice 8. Puissances paires du cosinus

Classiques de khôlle et concours · Niveau écrit CCINP

Calculer In = ∫ de 0 à 2π de cos2n t dt, puis en déduire W_(2n) de l'exercice 5.

Technique formule d'Euler, binôme, et intégrales des eimt.

Voir le corrigé
  1. cos t = (eit + e−it)/2, donc cos2n t = 4−n fois la somme des C(2n, k) ei(2k − 2n)t, pour k de 0 à 2n.
  2. On intègre cette somme finie terme à terme. ∫ de 0 à 2π de eimt est nul pour m entier non nul. Seul reste le terme k = n.
  3. Donc In = 2π C(2n, n)/4ⁿ.
  4. Par π-périodicité puis par t ↦ π − t, In vaut 4 fois l'intégrale sur [0, π/2], égale à W_(2n) par t ↦ π/2 − t. Donc W_(2n) = (π/2)C(2n, n)/4ⁿ.

piège : Oublier que ∫ eimt vaut 2π quand m = 0.

Exercice 9. Vitesse des rectangles

Approfondissement · Type oral Centrale

Soit f de classe C² sur [0, 1], I son intégrale et Sn = (1/n) fois la somme des f(k/n), pour k de 0 à n − 1. Montrer que n(I − Sn) tend vers (f(1) − f(0))/2. Commenter la méthode des trapèzes.

Technique Taylor-Lagrange sur chaque morceau, puis Riemann pour f'.

Voir le corrigé
  1. Soit h = 1/n, xk = kh, et M₂ le maximum de |f''| sur [0, 1]. Pour t dans [xk, x_(k+1)], Taylor-Lagrange à l'ordre 1 donne |f(t) − f(xk) − (t − xk)f'(xk)| ≤ M₂(t − xk)²/2.
  2. En intégrant, l'écart entre ∫ f sur le morceau et h f(xk) + h² f'(xk)/2 vaut au plus M₂h³/6.
  3. En sommant, l'écart entre I − Sn et (h/2) fois (1/n) fois la somme des f'(xk) vaut au plus M₂/(6n²).
  4. En multipliant par n, l'écart entre n(I − Sn) et la moitié de la somme de Riemann de f' vaut au plus M₂/(6n). Comme f' est continue, cette somme tend vers f(1) − f(0).
  5. La somme des trapèzes vaut Tn = Sn + (f(1) − f(0))/(2n), donc n(I − Tn) tend vers 0. Le terme principal de l'erreur disparaît.

piège : Prendre M₂ en un point au lieu du maximum sur tout le segment.

Exercice 10. Moments égaux

Approfondissement · Niveau écrit Mines ou X

Soit f continue de [0, 1] dans R telle que ∫ f² = ∫ f³ = ∫ f⁴. Montrer que f est constante égale à 0 ou à 1.

Technique fabriquer un carré d'intégrale nulle.

Voir le corrigé
  1. ∫ f²(f − 1)² = ∫ f⁴ − 2∫ f³ + ∫ f² = 0.
  2. f²(f − 1)² est continue et positive, donc nulle. Ainsi f(x) vaut 0 ou 1 pour tout x.
  3. Si f prenait les deux valeurs, le TVI lui ferait prendre la valeur 1/2, impossible. Donc f est constante.

piège : S'arrêter à « f vaut 0 ou 1 en chaque point », qui n'est pas « f est constante ».

Erreurs fréquentes

  1. Intégrer une inégalité ou majorer par M(b − a) avec des bornes dans le mauvais ordre. On vérifie a ≤ b avant chaque usage de la positivité.
  2. Dériver ∫ de a à u(x) de f sans le facteur u'(x), ou dériver directement une intégrale dont l'intégrande contient x. On sort d'abord x de l'intégrale.
  3. Forcer une somme de Riemann qui ne dépend pas de k à travers k/n, ou se tromper de segment quand k va jusqu'à 2n.
  4. Conclure f = 0 à partir de ∫ f = 0 sans vérifier la continuité, la positivité et a < b.
  5. Échanger limite et intégrale sans justification, ou écrire des inégalités entre nombres complexes. En cas de doute, on encadre, on coupe le segment, ou on majore le module.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PCSI (2021), deuxième semestre, section « Intégration ». Elle reprend et justifie les propriétés de l'intégrale utilisées au premier semestre dans la section « Techniques fondamentales de calcul en analyse ». Les fonctions considérées sont définies sur un segment, à valeurs réelles, sauf dans la dernière partie.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

Centrale-Supélec 2025, PC, Mathématiques 2

  • Q4 Intégrale d'une fonction périodique sur une période
  • Q5 Opérateur de convolution sur les polynômes trigonométriques
  • Q9 et Q10 Parité, intégrales et inégalités sur le sinus
  • Q11 à Q13 Majoration et minoration d'intégrales du noyau, changement de variable, convergence
  • Q14 à Q16 Approximation uniforme par des polynômes trigonométriques
  • Q37 et Q38 Réciproque : caractère höldérien à partir de la vitesse d'approximation

CCINP 2025, PSI, Mathématiques

  • Q10 Intégrale d'une fonction paire ou impaire par changement de variable
  • Q11 et Q12 Fonction impaire périodique et calcul de coefficients de Fourier
  • Q15 Majoration d'une intégrale dépendant de n
  • Q16 et Q17 Somme géométrique complexe et intégration pour la série de e^{inx}/n
  • Q18 et Q19 Calcul d'intégrale avec arc tangente

Centrale-Supélec 2025, PSI, Mathématiques 2

  • Q7 et Q8 Sommes de Riemann généralisées pour une fonction de classe C1
  • Q9 et Q10 Application des sommes de Riemann à une fonction plateau
  • Q11 à Q14 Formule de Taylor avec reste intégral et majorations de restes
  • Q15 à Q20 Développement asymptotique d'une somme quand x tend vers 0
  • Q21 à Q23 Polynômes de Bernoulli et leurs propriétés
  • Q24 à Q26 Formule d'Euler-Maclaurin par intégrations par parties
  • Q37 à Q40 Formules de Taylor généralisées par récurrence et intégration par parties
  • Q43 et Q44 Formule d'Euler-Boole et sommes alternées télescopiques