Calcul intégral 201-SN3-RE (ancien 201-NYB) • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal
Fiche de révision : les techniques d'intégration
Cette fiche ne redonne pas les formules de la table : elles sont dans vos notes. Elle traite ce qui décide de la note au second examen de 201-SN3-RE (ancien 201-NYB), c'est-à-dire le CHOIX de la technique, fait en dix secondes sur la forme de l'intégrande, et les trois ou quatre gestes qui font échouer une technique pourtant bien choisie.
Elle s'adresse aux étudiants de cégep en Sciences de la nature, et aux élèves de Terminale des lycées français qui suivent le complément québécois de mathématiques. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.
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Le fil du chapitre
On ne choisit pas une technique au hasard : on lit la FORME de l'intégrande, et chaque forme a la sienne. Le temps perdu à l'examen vient presque toujours d'avoir lancé une intégration par parties là où une substitution de dix secondes suffisait.
Les trois substitutions trigonométriques, et leur triangle
•a2−x2 : poser x=asinθ, d'où a2−x2=acosθ et dx=acosθdθ.
•a2+x2 : poser x=atanθ, d'où a2+x2=asecθ et dx=asec2θdθ.
•x2−a2 : poser x=asecθ, d'où x2−a2=atanθ et dx=asecθtanθdθ.
•Le retour en x se fait par le TRIANGLE de référence, jamais par θ=arcsinax substitué de force.
Les trois triangles de référence : la racine est toujours un côté, et l'angle θ se lit sur le triangle au moment du retour en x.
Un radicande qui n'est pas déjà sous l'une des trois formes se complète en carré d'abord : x2+4x+13=(x+2)2+9.
L'intégration par parties, et le choix de u
•∫udv=uv−∫vdu : on dérive u, on intègre dv.
•LIATE donne l'ordre de priorité pour u : Logarithme, Inverse trigonométrique, Algébrique, Trigonométrique, Exponentielle.
•Le bon u est celui qui SIMPLIFIE en dérivant; le bon dv est celui qu'on sait intégrer.
•∫lnxdx et ∫arctanxdx se font par parties avec dv=dx : c'est le seul moyen.
•Deux parties successives ramenant à l'intégrale de départ : on la traite comme une inconnue et on l'isole.
La formule lue en aires : l'aire orange ∫udv et l'aire bleue ∫vdu remplissent le grand rectangle moins le petit, u2v2−u1v1.
Si la nouvelle intégrale est PLUS compliquée que l'ancienne, le choix de u était inversé : recommencer plutôt que persévérer.
Les fractions partielles, dans l'ordre
•Vérifier d'abord que le degré du numérateur est STRICTEMENT inférieur à celui du dénominateur; sinon, DIVISER.
•Factoriser le dénominateur complètement, dans R.
•Facteur linéaire simple (x−a) : un terme x−aA.
•Facteur linéaire répété (x−a)2 : DEUX termes, x−aA+(x−a)2B.
•Facteur quadratique irréductible x2+bx+c : un terme x2+bx+cAx+B, avec un numérateur de degré un.
Les pièges qui coûtent des points
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
1.Lancer une intégration par parties là où une substitution suffit
dix minutes, et la question au bout du compte
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ∫xex2dx : je pose u=x et dv=ex2dx. »
Ce qu'il faut écrire
« u=x2 donne du=2xdx, donc l'intégrale vaut 2ex2+C en une ligne. »
Pourquoi : ex2 n'a pas de primitive élémentaire : le dv choisi est impossible à intégrer, et la copie se bloque. Le réflexe correct est de tester la substitution AVANT toute autre technique, car c'est la seule qui se vérifie en dix secondes.
2.Inverser le rôle de u et de dv
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ∫xlnxdx : je pose u=x et dv=lnxdx. »
Ce qu'il faut écrire
« u=lnx et dv=xdx : le logarithme se SIMPLIFIE en dérivant, et xdx s'intègre trivialement. »
Pourquoi : LIATE place le logarithme avant l'algébrique précisément parce qu'il ne s'intègre pas facilement mais se dérive en x1. Le signal d'alarme est immédiat : si la nouvelle intégrale est pire que l'ancienne, le choix était inversé.
3.Perdre le signe dans la formule des parties
toute la question, la réponse étant fausse d'un terme entier
Ce qu'il ne faut pas écrire
∫udv=uv+∫vdu
Ce qu'il faut écrire
∫udv=uv−∫vdu
Pourquoi : La formule vient de (uv)′=u′v+uv′ intégrée : uv=∫u′v+∫uv′, donc ∫uv′=uv−∫u′v. Le signe moins vient du passage d'un terme de l'autre côté. Le contrôle : sur ∫xexdx, la réponse est xex−ex+C, dont la dérivée redonne bien xex.
4.Décomposer en fractions partielles sans avoir divisé
toute la question, le système en A étant impossible
Ce qu'il ne faut pas écrire
x+1x2=x+1A
Ce qu'il faut écrire
Le degré du haut n'est pas inférieur à celui du bas : on DIVISE d'abord, x+1x2=x−1+x+11.
x+1x2 suit la droite y=x−1 : seule la division fait apparaître cette partie entière. Un terme x+1A seul tend vers 0 et ne peut pas la suivre.
Pourquoi : La décomposition en éléments simples suppose une fraction PROPRE. Sans division, le système d'identification n'a pas de solution, et la copie tourne en rond en cherchant une erreur de calcul qui n'existe pas.
5.Oublier un terme sur un facteur répété
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
x(x−2)21=xA+(x−2)2B
Ce qu'il faut écrire
x(x−2)21=xA+x−2B+(x−2)2C
Pourquoi : Un facteur répété à la puissance n engendre n termes, un par puissance de 1 à n. Avec deux fractions seulement, le système est surdéterminé et n'a pas de solution : le blocage vient de la forme posée, pas du calcul.
6.Confondre deux intégrandes qui ne diffèrent que par un x
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
∫x2+1xdx=arctan(x2+1)
Ce qu'il faut écrire
∫x2+1xdx=21ln(x2+1)+C, tandis que ∫x2+1dx=arctanx+C
Deux intégrandes presque identiques : x2+11 reste positive et donne un arc tangente, x2+1x change de signe en 0 et donne un logarithme.
Pourquoi : Un x au numérateur transforme une forme 1+u21 en forme uu′ : deux techniques, deux primitives sans aucun rapport. C'est la paire la plus piégeuse du chapitre, et il faut la reconnaître au premier regard.
7.Revenir en x sans dessiner le triangle
1 à 2 points, la réponse restant illisible
Ce qu'il ne faut pas écrire
« J'ai trouvé θ+sinθcosθ+C, je remplace θ par arcsin3x et je m'arrête. »
Ce qu'il faut écrire
« Le triangle donne sinθ=3x et cosθ=39−x2, donc la réponse est arcsin3x+9x9−x2+C. »
Pourquoi : Laisser un sin(arcsin3x) dans une réponse est correct mais inexploitable, et le barème sanctionne. Le triangle de référence traduit chaque fonction de θ en une expression algébrique en x, en trois secondes et sans identité à retenir.
8.Ne pas compléter le carré avant de substituer
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
« ∫x2+4x+13dx : aucune des trois formes ne convient. »
Ce qu'il faut écrire
« x2+4x+13=(x+2)2+9, donc on pose x+2=3tanθ : c'est la forme a2+u2. »
x2+4x+13=(x+2)2+9 : la parabole a son sommet en (−2;9) et ne coupe jamais l'axe, le trinôme est irréductible et appelle x+2=3tanθ.
Pourquoi : Les trois formes portent sur a2±u2, où u peut être n'importe quelle expression affine. La complétion du carré est l'étape qui révèle cette forme, et l'oublier fait conclure à tort qu'aucune technique ne s'applique.
Quelle méthode choisir
Quelle technique, selon la forme de l'intégrande
On applique ce test dans l'ordre, et on s'arrête à la première branche qui s'applique. La substitution passe toujours en premier parce qu'elle se teste en dix secondes.
Si un bloc intérieur et sa dérivée sont tous deux présents → SUBSTITUTION, à tester avant toute autre chose
Exemple : ∫xex2dx=2ex2+C
Si produit de deux fonctions de natures différentes, dont l'une se simplifie en dérivant → INTÉGRATION PAR PARTIES, avec u choisi selon LIATE
Exemple : ∫xlnxdx avec u=lnx
Si quotient de deux polynômes → DIVISION si le haut n'est pas de degré strictement inférieur, puis FRACTIONS PARTIELLES
Exemple : ∫x+1x2dx=∫(x−1+x+11)dx
Si une racine de la forme a2±u2 ou u2−a2, sans la dérivée intérieure → SUBSTITUTION TRIGONOMÉTRIQUE, après complétion du carré si nécessaire
Exemple : ∫9−x2dx avec x=3sinθ
Si puissances de sinus et cosinus → puissance IMPAIRE, on en détache un facteur et on substitue; toutes PAIRES, on abaisse par les formules de duplication
Exemple : ∫sin3xdx=∫(1−cos2x)sinxdx
Si l'intégrande contient lnx, arcsinx ou arctanx SEULS → parties avec dv=dx, il n'y a pas d'autre voie
Exemple : ∫lnxdx=xlnx−x+C
Deux techniques donnent parfois la même intégrale sous deux formes différant d'une constante : les deux sont justes, et le corrigé n'en montre qu'une.
Quel u dans une intégration par parties
LIATE : Logarithme, Inverse trigonométrique, Algébrique, Trigonométrique, Exponentielle. On prend pour u le premier de la liste présent dans l'intégrande.
Si un logarithme est présent → u=ln, toujours, car il ne s'intègre pas simplement
Exemple : ∫x2lnxdx avec u=lnx
Si un arc sinus ou un arc tangente est présent → u est cette fonction inverse
Exemple : ∫arctanxdx avec u=arctanx et dv=dx
Si un polynôme multiplie une exponentielle ou une fonction trigonométrique → u est le POLYNÔME, car dériver l'abaisse d'un degré
Exemple : ∫x2exdx demande deux parties successives
Si une exponentielle multiplie un sinus ou un cosinus → le choix est indifférent, mais il faut GARDER le même à la seconde application, puis isoler l'intégrale
Exemple : ∫exsinxdx=2ex(sinx−cosx)+C
La règle pratique qui résume LIATE : u est ce qui se SIMPLIFIE en dérivant, dv est ce qui se laisse intégrer. Si les deux conditions se contredisent, l'intégrale demande une autre technique.
La rédaction attendue
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Une substitution trigonométrique, rédigée pour le correcteur
Quand l'utiliser : Toute racine de la forme a2−u2, a2+u2 ou u2−a2 sans dérivée intérieure disponible.
1Identifier la forme et annoncer la substitution : « Comme 9−x2 est de la forme a2−x2 avec a=3, posons x=3sinθ. »
2Écrire la différentielle et la racine transformée : « dx=3cosθdθ et 9−x2=3cosθ. »
3Réécrire l'intégrale entièrement en θ et la calculer.
4DESSINER le triangle de référence et lire chaque fonction de θ en fonction de x.
5Revenir en x et conclure.
Phrase de conclusion
Le triangle donne sinθ=3x et cosθ=39−x2, donc l'intégrale vaut −9x9−x2+C.
Le piège : Ne pas justifier que cosθ≥0. La substitution x=asinθ se fait sur θ∈[−2π,2π], où le cosinus est positif : c'est ce qui autorise à écrire a2cos2θ=acosθ sans valeur absolue.
Barème : En général 1 point pour la substitution annoncée, 1 point pour la différentielle et la racine, 2 points pour le calcul en θ, 1 point pour le retour en x par le triangle.
Vérifier avant de rendre
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Dériver la réponse
Comme au chapitre précédent, la primitive obtenue se dérive et doit redonner l'intégrande. C'est plus long ici, mais toujours plus court que de refaire le calcul.
xex−ex se dérive en ex+xex−ex=xex ✓. Avec le signe plus dans la formule des parties, on aurait obtenu xex+2ex, qui ne convient pas.
Contrôler que la nouvelle intégrale est plus simple
Après une intégration par parties, comparer ∫vdu à ∫udv. Si la nouvelle est plus compliquée, le choix de u était inversé et il faut recommencer.
∫xlnxdx avec u=x et dv=lnxdx exige d'abord la primitive v=xlnx−x, elle-même obtenue par parties, et la nouvelle intégrale ∫(xlnx−x)dx n'est pas plus simple que l'originale, qu'elle contient : le signal est net.
Tester une décomposition en fractions partielles sur une valeur
Substituer un nombre simple dans la fraction de départ et dans la décomposition : les deux doivent donner le même résultat.
x(x−2)21 en x=1 vaut 1; la décomposition x0,25−x−20,25+(x−2)20,5 y vaut 0,25+0,25+0,5=1 ✓.
Vérifier le domaine après une substitution trigonométrique
Contrôler que l'intervalle choisi pour θ rend positive la fonction dont on prend la racine, ce qui autorise à supprimer la valeur absolue.
Avec x=3sinθ et θ∈[−2π,2π], cosθ≥0, donc 9cos2θ=3cosθ ✓.
Comparer deux formes apparemment différentes
Deux réponses justes peuvent différer d'une constante. Les évaluer toutes deux en un même point et comparer l'ÉCART : s'il est constant, les deux sont valables.
∫sinxcosxdx vaut 2sin2x ou −2cos2x, qui diffèrent de 21 partout ✓.
L'exercice type décortiqué
Une substitution trigonométrique complète
Calculer ∫x29−x2dx.
Le triangle construit sur x=3sinθ : côté opposé x, hypoténuse 3, côté adjacent 9−x2. Toutes les fonctions de θ s'y lisent sans aucune identité.
Étape 1
La racine est de la forme a2−x2 avec a=3, et il n'y a pas de x isolé au numérateur pour une substitution simple. On pose donc x=3sinθ, avec θ∈]−2π,2π[.
Pourquoi
L'intervalle de θ n'est pas décoratif : c'est lui qui garantit cosθ>0 et permet d'écrire la racine sans valeur absolue à l'étape suivante.
Étape 2
dx=3cosθdθ, x2=9sin2θ, et 9−x2=9(1−sin2θ)=3cosθ.
Pourquoi
L'identité 1−sin2θ=cos2θ est exactement ce que la substitution est venue chercher : elle fait disparaître la racine, ce qu'aucune manipulation algébrique ne réussissait.
Étape 3
L'intégrale devient ∫9sin2θ⋅3cosθ3cosθdθ=91∫sin2θdθ=91∫csc2θdθ.
Pourquoi
Les cosθ se simplifient, ce qui est le signe que la substitution était la bonne. Une intégrale où ils ne se simplifient pas indique presque toujours une forme mal identifiée.
Étape 4
∫csc2θdθ=−cotθ+C, donc l'intégrale vaut −9cotθ+C.
Pourquoi
Cette primitive est la seule formule à connaître de tout le calcul; elle est le pendant de ∫sec2θdθ=tanθ.
Étape 5
Triangle de référence : sinθ=3x, donc le côté opposé vaut x, l'hypoténuse 3, le côté adjacent 9−x2. D'où cotθ=x9−x2.
Pourquoi
Aucune identité n'a été nécessaire : le triangle donne directement la cotangente. C'est pour cela que la consigne est de le DESSINER, pas de le déduire.
Étape 6
Réponse : −9x9−x2+C. Vérification numérique en x=1 : le taux d'accroissement de cette primitive vaut 0,3536, et 1⋅81=0,3536 ✓.
Pourquoi
Une vérification numérique en un point clôt le calcul en dix secondes et attrape aussi bien un signe qu'un facteur 9 mal placé.
Conclusion rédigée
∫x29−x2dx=−9x9−x2+C, valable sur chacun des intervalles ]−3;0[ et ]0;3[.
L'erreur classique sur cet exercice : Remplacer θ par arcsin3x et laisser −9cot(arcsin3x). L'expression est exacte mais inexploitable, et le triangle la transforme en une fraction algébrique en trois secondes.
À savoir par cœur
•Tester la SUBSTITUTION en premier : dix secondes, et elle règle la moitié des intégrales.
•∫udv=uv−∫vdu, avec un signe MOINS. u est ce qui se simplifie en dérivant.
•Fractions partielles : diviser d'abord si le degré du haut n'est pas strictement inférieur.
•Facteur répété à la puissance n : n termes. Facteur quadratique : numérateur Ax+B.
•a2−x2→x=asinθ; a2+x2→x=atanθ; x2−a2→x=asecθ.
•Retour en x par le TRIANGLE de référence, jamais par une identité d'arc.
•Un x au numérateur change tout : x2+11 donne un arc tangente, x2+1x un logarithme.
Questions fréquentes
Comment choisir la bonne technique d'intégration ?
On teste la substitution en premier, en cherchant un bloc intérieur dont la dérivée est présente. Si elle échoue, un produit de natures différentes appelle l'intégration par parties, un quotient de polynômes appelle les fractions partielles, et une racine du type racine de a au carré moins x au carré appelle une substitution trigonométrique.
Comment choisir u dans une intégration par parties ?
On suit l'ordre LIATE : logarithme, inverse trigonométrique, algébrique, trigonométrique, exponentielle. Le premier de cette liste présent dans l'intégrande devient u. La règle qui la résume est simple : u est ce qui se simplifie en dérivant, et dv est ce que l'on sait intégrer.
Pourquoi faut-il diviser avant de décomposer en fractions partielles ?
Parce que la décomposition en éléments simples ne s'applique qu'aux fractions propres, dont le numérateur a un degré strictement inférieur à celui du dénominateur. Sans division préalable, le système d'identification des coefficients n'a aucune solution, et le calcul se bloque sans qu'une erreur d'arithmétique en soit la cause.
Combien de termes pour un facteur répété au dénominateur ?
Autant que la puissance. Un facteur au carré donne deux termes, un avec le facteur simple au dénominateur et un avec le facteur au carré. Un facteur au cube en donne trois. Oublier un terme rend le système impossible à résoudre, ce qui est le blocage le plus fréquent du chapitre.
Comment revenir à la variable de départ après une substitution trigonométrique ?
En dessinant le triangle rectangle de référence. Si la substitution était x égale trois sinus thêta, le côté opposé vaut x et l'hypoténuse trois, donc le côté adjacent vaut la racine de neuf moins x au carré. Toutes les fonctions trigonométriques de thêta se lisent alors directement sur ce triangle.
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Exercices corrigés : Techniques d'intégration
Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.
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