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Tle complémentaires · Chapitre 6 · Analyse

Calcul intégral

30 exercices corrigésCours mis à jour le

Cours

À quoi ça sert ?

Le compteur d'une voiture affiche la vitesse ; la distance parcourue s'obtient en « additionnant » cette vitesse à chaque instant. Un compteur d'eau fait de même avec le débit. Ce calcul d'une somme continue, c'est l'intégrale : géométriquement, une aire sous une courbe. Elle sert aussi à calculer une température moyenne sur une journée, ou à mesurer les inégalités de revenus d'un pays avec l'indice de Gini. Avec ce chapitre, tu sauras :

  • interpréter une intégrale comme une aire ;
  • calculer une intégrale avec une primitive ;
  • utiliser la relation de Chasles, la linéarité et l'ordre ;
  • calculer une valeur moyenne, une aire entre deux courbes, et approcher une intégrale par des rectangles.

1 Intégrale et aire

On mesure les aires en unités d'aire : une unité d'aire est l'aire du rectangle de côtés \(1\) et \(1\) dans le repère.

Définition

Soit \(f\) une fonction continue et positive sur \([a \,;\, b]\). L'intégrale de \(f\) entre \(a\) et \(b\), notée \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\), est l'aire (en unités d'aire) du domaine limité par la courbe de \(f\), l'axe des abscisses et les droites \(x = a\) et \(x = b\). En mots : \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\) se lit « intégrale de \(a\) à \(b\) de \(f(x)\,dx\) » ; la lettre \(x\) est muette (on peut la remplacer par \(t\)).

a b ∫ f(x) dx y = f(x)
L'intégrale de f entre a et b est l'aire du domaine coloré, sous la courbe et au-dessus de l'axe des abscisses.
Exemple guidé — des aires connues

Étape 1 — Une constante. \(\displaystyle\int_1^4 3\,dx\) est l'aire d'un rectangle de largeur \(4 - 1 = 3\) et de hauteur \(3\) : elle vaut \(9\).

Étape 2 — Une droite. \(\displaystyle\int_0^4 x\,dx\) est l'aire d'un triangle rectangle de base \(4\) et de hauteur \(4\) : \(\dfrac{4 \times 4}{2} = 8\).

🔍 Vérification : on retrouvera ces résultats avec les primitives (partie 2) ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Oublier les droites verticales \(x = a\) et \(x = b\) : on mesure seulement l'aire entre \(a\) et \(b\).
  • ❌ Confondre l'aire et la valeur de \(f\). ✅ L'intégrale est une aire, pas une hauteur.
À toi !

Calcule \(\displaystyle\int_0^2 (x + 1)\,dx\) en reconnaissant un trapèze.

Voir la réponseMasquer la réponse

Bases \(f(0) = 1\) et \(f(2) = 3\), hauteur \(2\) : \(\dfrac{(1 + 3) \times 2}{2} = 4\).

À retenir

Pour \(f\) continue et positive, \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\) = aire sous la courbe entre \(a\) et \(b\), en unités d'aire.

2 Calculer une intégrale avec une primitive

Les aires se calculent grâce aux primitives du chapitre 5 : c'est le résultat le plus important du calcul intégral.

Théorème (admis)

Si \(f\) est continue sur \([a \,;\, b]\) et si \(F\) est une primitive de \(f\), alors \[\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a), \quad \text{noté } \Big[F(x)\Big]_a^b.\] Pour une fonction continue de signe quelconque, on définit l'intégrale par cette formule.

Méthode

Trouver une primitive \(F\), l'écrire entre crochets, puis calculer \(F(b) - F(a)\). Le choix de la primitive n'a pas d'importance : la constante disparaît dans la différence.

Exemple guidé

Étape 1 — Un polynôme. \(\displaystyle\int_0^2 x^2\,dx = \left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^2 = \dfrac{8}{3} - 0 = \dfrac{8}{3}\).

Étape 2 — L'inverse. \(\displaystyle\int_1^e \dfrac{1}{x}\,dx = \Big[\ln x\Big]_1^e = \ln e - \ln 1 = 1\).

Étape 3 — L'exponentielle. \(\displaystyle\int_0^1 e^x\,dx = \Big[e^x\Big]_0^1 = e - 1 \approx 1{,}718\).

🔍 Vérification : \(\displaystyle\int_0^4 x\,dx = \left[\dfrac{x^2}{2}\right]_0^4 = 8\), comme l'aire du triangle de la partie 1 ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Calculer \(F(a) - F(b)\). ✅ C'est borne du haut moins borne du bas : \(F(b) - F(a)\).
  • ❌ Dériver au lieu de chercher une primitive. ✅ \(\displaystyle\int_0^2 x^2\,dx\) ne vaut pas \(\Big[2x\Big]_0^2\).
À toi !

Calcule \(\displaystyle\int_0^3 (2x + 1)\,dx\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(\Big[x^2 + x\Big]_0^3 = 9 + 3 - 0 = 12\).

À retenir

\(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a)\), avec \(F\) une primitive de \(f\).

3 Propriétés de l'intégrale

Propriétés

Pour \(f\) et \(g\) continues sur un intervalle contenant \(a\), \(b\), \(c\), et \(k\) réel :

  • relation de Chasles : \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx + \int_b^c f(x)\,dx = \int_a^c f(x)\,dx\) ;
  • linéarité : \(\displaystyle\int_a^b \big(f(x) + k\,g(x)\big)dx = \int_a^b f(x)\,dx + k\int_a^b g(x)\,dx\) ;
  • positivité et ordre (avec \(a \leqslant b\)) : si \(f \geqslant 0\) sur \([a \,;\, b]\), l'intégrale est positive ; si \(f \leqslant g\), alors \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx \leqslant \int_a^b g(x)\,dx\).
Aires et signe

(avec \(a \leqslant b\)) :

  • si \(f \leqslant 0\) sur \([a \,;\, b]\), l'aire entre la courbe et l'axe vaut \(-\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\) ;
  • si \(g \leqslant f\) sur \([a \,;\, b]\), l'aire entre les deux courbes vaut \(\displaystyle\int_a^b \big(f(x) - g(x)\big)dx\).
Exemple guidé — l'aire entre une droite et une parabole

\(f(x) = x + 2\) et \(g(x) = x^2\) se coupent en \(x = -1\) et \(x = 2\) (solutions de \(x^2 = x + 2\)), et \(g \leqslant f\) entre les deux.

Étape 1 — L'intégrale de la différence. \(\displaystyle\int_{-1}^{2} (x + 2 - x^2)\,dx = \left[\dfrac{x^2}{2} + 2x - \dfrac{x^3}{3}\right]_{-1}^{2}\).

Étape 2 — Calculer. En \(2\) : \(2 + 4 - \dfrac{8}{3} = \dfrac{10}{3}\). En \(-1\) : \(\dfrac{1}{2} - 2 + \dfrac{1}{3} = -\dfrac{7}{6}\). Différence : \(\dfrac{10}{3} + \dfrac{7}{6} = \dfrac{27}{6}\).

Conclusion : l'aire vaut \(\boxed{\dfrac{9}{2}}\) unités d'aire.

🔍 Vérification : en \(x = 0\), \(f(0) = 2 \geqslant g(0) = 0\) : la droite est bien au-dessus ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Donner une aire négative. ✅ Une aire est toujours positive : si \(f \leqslant 0\), on prend l'opposé de l'intégrale.
  • ❌ Calculer \(\displaystyle\int (g - f)\) quand \(f\) est au-dessus. ✅ On intègre « courbe du haut moins courbe du bas ».
À toi !

Calcule \(\displaystyle\int_0^4 (x^2 - 4x)\,dx\), puis l'aire entre la courbe et l'axe des abscisses sur \([0 \,;\, 4]\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(\left[\dfrac{x^3}{3} - 2x^2\right]_0^4 = \dfrac{64}{3} - 32 = -\dfrac{32}{3}\). La fonction est négative sur \([0 \,;\, 4]\) : l'aire vaut \(\dfrac{32}{3}\).

À retenir

Chasles, linéarité, ordre ; aire \(= -\displaystyle\int f\) si \(f \leqslant 0\) ; entre deux courbes : \(\displaystyle\int (\text{haut} - \text{bas})\).

4 Valeur moyenne

Comment résumer par un seul nombre une température qui varie toute la journée ? On cherche la hauteur du rectangle qui a la même aire que le domaine sous la courbe.

Définition

La valeur moyenne d'une fonction \(f\) continue sur \([a \,;\, b]\) (avec \(a < b\)) est \[\mu = \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx.\] En mots : c'est la hauteur du rectangle de base \([a \,;\, b]\) qui a la même aire que le domaine sous la courbe.

Exemple guidé — la température d'une journée

\(T(t) = -\dfrac{1}{8}t^2 + 3t + 10\) (en °C), pour \(t \in [0 \,;\, 24]\) (en heures).

Étape 1 — L'intégrale. \(\displaystyle\int_0^{24} T(t)\,dt = \left[-\dfrac{t^3}{24} + \dfrac{3t^2}{2} + 10t\right]_0^{24} = -576 + 864 + 240 = 528\).

Étape 2 — La moyenne. \(\mu = \dfrac{528}{24} = \boxed{22 \text{ °C}}\).

🔍 Vérification : la température varie entre \(10\) °C (à \(0\) h et à \(24\) h) et \(28\) °C (à midi) : \(22\) °C est bien entre les deux ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Faire la moyenne des valeurs extrêmes : \(\dfrac{10 + 28}{2} = 19\). ✅ La moyenne tient compte de toutes les valeurs : \(22\) °C.
  • ❌ Oublier de diviser par \(b - a\).
À toi !

Quelle est la valeur moyenne de \(x \mapsto x^2\) sur \([0 \,;\, 3]\) ?

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\(\dfrac{1}{3}\displaystyle\int_0^3 x^2\,dx = \dfrac{1}{3} \times 9 = 3\).

À retenir

\(\mu = \dfrac{1}{b - a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\) : hauteur du rectangle de même aire.

5 Approcher une intégrale ; inégalités de revenus

Quand on ne connaît pas de primitive, on approche l'aire par des rectangles.

Méthode des rectangles

On découpe \([a \,;\, b]\) en \(n\) intervalles de largeur \(h = \dfrac{b - a}{n}\), et on additionne les aires des rectangles dont la hauteur est la valeur de \(f\) au bord gauche (ou au bord droit) de chaque intervalle. Si \(f\) est croissante, les rectangles « à gauche » donnent une valeur par défaut, les rectangles « à droite » une valeur par excès.

Animation : l'aire approchée par des rectangles
xy121234n = 4 rectanglesaire ≈ 3,75n = 8 rectanglesaire ≈ 3,19n = 16 rectanglesaire ≈ 2,92y = x²aire exacte :∫₀² x² dx = 8/3 ≈ 2,67Plus il y a de rectangles, plus on se rapproche de l’aire exacte.
  1. Avec \(4\) rectangles « à droite », l'aire totale vaut \(3{,}75\) : c'est une approximation grossière.
  2. Avec \(8\) rectangles, elle vaut environ \(3{,}19\), puis environ \(2{,}92\) avec \(16\) rectangles.
  3. La fonction est croissante : les rectangles dépassent de la courbe, leur aire est un peu trop grande, mais l'écart diminue.
  4. Quand leur nombre augmente, on se rapproche de l'aire exacte \(\displaystyle\int_0^2 x^2\,dx = \dfrac{8}{3} \approx 2{,}67\).
from math import exp

def f(x):
    return x**2

a, b, n = 0, 1, 100
h = (b - a) / n
gauche = sum(f(a + k * h) * h for k in range(n))           # par défaut (f croissante)
droite = sum(f(a + k * h) * h for k in range(1, n + 1))    # par excès
print(gauche, droite)      # environ 0,32835 et 0,33835
Exemple

Exemple guidé — \(\displaystyle\int_0^1 x^2\,dx\) avec \(4\) rectangles

Étape 1 — À gauche. \(h = 0{,}25\) : \(0{,}25 \times (0 + 0{,}0625 + 0{,}25 + 0{,}5625) = 0{,}21875\).

Étape 2 — À droite. \(0{,}25 \times (0{,}0625 + 0{,}25 + 0{,}5625 + 1) = 0{,}46875\).

Conclusion : \(0{,}21875 \leqslant \displaystyle\int_0^1 x^2\,dx \leqslant 0{,}46875\) ; la valeur exacte est \(\dfrac{1}{3}\).

🔍 Vérification : avec \(100\) rectangles, l'encadrement devient \([0{,}32835 \,;\, 0{,}33835]\) ✓.

Courbe de Lorenz et indice de Gini

On range la population par revenu croissant. La courbe de Lorenz \(L\) donne, pour la part \(x\) la plus pauvre de la population, la part \(L(x)\) des revenus qu'elle reçoit. Si les revenus étaient parfaitement égaux, on aurait \(L(x) = x\). L'indice de Gini mesure l'écart à cette égalité : \[G = 2\int_0^1 \big(x - L(x)\big)\,dx, \quad \text{compris entre } 0 \text{ (égalité parfaite) et } 1.\]

Ouvrir dans le traceur

Survole la courbe pour lire ses coordonnées. Clique ou touche le graphique pour zoomer et le déplacer.

Exemple guidé

Un pays a pour courbe de Lorenz \(L(x) = x^2\).

Étape 1 — Lire la courbe. \(L(0{,}5) = 0{,}25\) : la moitié la plus pauvre de la population reçoit \(25\,\%\) des revenus.

Étape 2 — L'indice. \(G = 2\displaystyle\int_0^1 (x - x^2)\,dx = 2\left(\dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{3}\right) = \boxed{\dfrac{1}{3}} \approx 0{,}33\).

🔍 Vérification : l'indice de Gini de la France est d'environ \(0{,}29\) à \(0{,}30\) : l'ordre de grandeur est réaliste ✓.

Erreurs fréquentes
  • ❌ Croire que plus de rectangles donne toujours la valeur exacte. ✅ On obtient une approximation, de plus en plus précise.
  • ❌ Oublier le facteur \(2\) dans l'indice de Gini.
À toi !

Calcule l'indice de Gini d'un pays dont la courbe de Lorenz est \(L(x) = x^3\).

Voir la réponseMasquer la réponse

\(G = 2\left(\dfrac{1}{2} - \dfrac{1}{4}\right) = \dfrac{1}{2}\) : plus inégalitaire que le précédent.

À retenir

Rectangles à gauche et à droite pour encadrer ; Gini \(= 2\displaystyle\int_0^1 (x - L(x))\,dx\).


Questions fréquentes

Que représente une intégrale ?

Pour une fonction positive, \(\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\) est l'aire du domaine situé sous sa courbe, entre les droites \(x = a\) et \(x = b\), mesurée en unités d'aire.

Voir dans le cours : 1. Intégrale et aire

Comment calculer une intégrale ?

On cherche une primitive \(F\) de \(f\), puis on calcule \(F(b) - F(a)\) : borne du haut moins borne du bas. Par exemple, \(\displaystyle\int_1^3 2x\,dx = 3^2 - 1^2 = 8\).

Voir dans le cours : 2. Calculer une intégrale avec une primitive

Comment calculer l'aire entre deux courbes ?

Sur un intervalle où la courbe de \(f\) est au-dessus de celle de \(g\), l'aire vaut \(\displaystyle\int_a^b \big(f(x) - g(x)\big)\,dx\). Les bornes sont souvent les abscisses des points d'intersection.

Voir dans le cours : 3. Propriétés de l'intégrale

Comment calculer la valeur moyenne d'une fonction ?

On divise l'intégrale par la longueur de l'intervalle : \(\dfrac{1}{b - a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx\). C'est la hauteur du rectangle qui a la même aire que le domaine sous la courbe.

Voir dans le cours : 4. Valeur moyenne

C'est quoi l'indice de Gini ?

C'est un nombre entre \(0\) et \(1\) qui mesure les inégalités de revenus d'un pays : \(0\) correspond à l'égalité parfaite. On le calcule avec la courbe de Lorenz \(L\) : \(G = 2\displaystyle\int_0^1 \big(x - L(x)\big)\,dx\).

Voir dans le cours : 5. Approcher une intégrale ; inégalités de revenus

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