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Calcul intégral : primitives directes et transformations élémentaires — Exercices 1 à 3

Calcul intégral : primitives directes et transformations élémentaires — Exercices 1 à 3

Manuel Al Moufid · 2e Bac Sciences Mathématiques

Ces trois exercices développent les premiers réflexes indispensables en calcul intégral. Avant de chercher une primitive, il faut examiner la structure de l’expression : une simplification algébrique, l’écriture d’une racine sous forme de puissance, la présence d’une fonction accompagnée de sa dérivée ou encore une identité trigonométrique peuvent faire apparaître une primitive connue. Dans certaines situations, un changement de variable permet également de ramener l’intégrale à une forme plus simple. Mais le calcul ne doit jamais commencer avant une vérification essentielle : la fonction placée sous le signe intégral doit être définie sur l’intervalle considéré. Les exercices suivants montrent donc comment reconnaître la bonne forme, vérifier les conditions nécessaires, choisir la transformation adaptée puis appliquer correctement la relation entre une intégrale et une primitive.

Consigne commune Calculer les intégrales proposées dans les exercices 1, 2 et 3.
Repère de cours — Calcul d’une intégrale à l’aide d’une primitive

Si \(f\) est continue sur un segment \([a;b]\) et si \(F\) est une primitive de \(f\) sur cet intervalle, alors :

\[ \boxed{ \int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a) } \]

La recherche de \(F\) constitue donc l’étape centrale du calcul. Il faut cependant commencer par vérifier que l’intégrande est bien définie sur l’intervalle concerné.

Lorsque la primitive n’est pas immédiatement visible, on cherche à transformer l’intégrande : développement, factorisation, écriture sous forme de puissance, reconnaissance d’une expression accompagnée de sa dérivée ou changement de variable.

Exercice 01

Intégrale \(A_1\) \[ A_1=\int_{-2}^{3}t\left(t^2+2\right)^7\,dt. \]
Méthode. La puissance porte sur \(t^2+2\). Sa dérivée vaut \(2t\), et le facteur \(t\) présent devant la puissance est donc proportionnel à cette dérivée. On reconnaît une primitive composée sans développer la puissance.
Afficher la correction Masquer la correction

On reconnaît une expression de la forme \(u'(t)u(t)^7\), avec :

\[ u(t)=t^2+2 \qquad\text{et}\qquad u'(t)=2t. \]

Comme \(t=\dfrac12u'(t)\), une primitive est :

\[ \int t(t^2+2)^7\,dt = \frac12\int u^7\,du = \frac{u^8}{16}. \]

On applique maintenant la primitive obtenue aux deux bornes.

\[ \begin{aligned} A_1 &= \left[\frac{(t^2+2)^8}{16}\right]_{-2}^{3}\\ &= \frac{(3^2+2)^8-\left((-2)^2+2\right)^8}{16}\\ &= \frac{11^8-6^8}{16}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_1=\frac{11^8-6^8}{16}}. \]
Le calcul repose sur la reconnaissance d’une expression accompagnée de sa dérivée. Il est inutile de développer \((t^2+2)^7\).
Intégrale \(A_2\) \[ A_2= \int_1^4 \left(\sqrt t-\frac1{\sqrt t}\right)^2dt. \]
Méthode. La forme initiale ne donne pas directement une primitive usuelle. On développe d’abord le carré afin de transformer l’intégrande en une somme de trois termes simples. Comme \(t\in[1;4]\), toutes les expressions contenant \(\sqrt t\) et \(1/t\) sont bien définies.
Afficher la correction Masquer la correction

Développons d'abord le carré :

\[ \left(\sqrt t-\frac1{\sqrt t}\right)^2 = t-2+\frac1t. \]

Par conséquent :

\[ A_2= \int_1^4 \left(t-2+\frac1t\right)dt. \]

Une primitive sur \([1;4]\) est :

\[ F(t)=\frac{t^2}{2}-2t+\ln t. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A_2 &= \left[\frac{t^2}{2}-2t+\ln t\right]_1^4\\ &= \left(8-8+\ln4\right) - \left(\frac12-2\right)\\ &= \ln4+\frac32. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_2=\ln4+\frac32=2\ln2+\frac32}. \]
Le développement du carré a transformé l’intégrande en une somme de primitives usuelles.
Intégrale \(A_3\) \[ A_3=\int_0^4\frac{dx}{\sqrt{2x+1}}. \]
Méthode. Sur \([0;4]\), on a \(2x+1\geq1\). La racine est donc définie et non nulle. La primitive est ici directement reconnaissable en dérivant \(\sqrt{2x+1}\).
Afficher la correction Masquer la correction

On remarque que :

\[ \left(\sqrt{2x+1}\right)' = \frac1{\sqrt{2x+1}}. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A_3 &= \left[\sqrt{2x+1}\right]_0^4\\ &= \sqrt9-\sqrt1\\ &= 3-1. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_3=2}. \]
La primitive est immédiate : aucune transformation supplémentaire n’est nécessaire.
Intégrale \(A_4\) \[ A_4=\int_1^0\frac{dx}{(2x+1)^{2018}}. \]
Méthode. Le quotient est d’abord écrit comme une puissance d’exposant négatif. On peut alors utiliser directement la primitive d’une puissance composée. Il faut également conserver l’ordre des bornes : l’intégrale est prise de \(1\) vers \(0\).
Afficher la correction Masquer la correction

On écrit :

\[ \frac1{(2x+1)^{2018}} = (2x+1)^{-2018}. \]

Une primitive est :

\[ -\frac1{4034}(2x+1)^{-2017}, \]

car \(4034=2\times2017\).

Ainsi :

\[ \begin{aligned} A_4 &= \left[ -\frac1{4034(2x+1)^{2017}} \right]_1^0\\ &= -\frac1{4034} + \frac1{4034\cdot3^{2017}}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ A_4= \frac1{4034} \left(\frac1{3^{2017}}-1\right) }. \]
Le résultat est négatif, ce qui est cohérent avec l’ordre inversé des bornes puisque l’intégrande est positive entre \(0\) et \(1\).
Intégrale \(A_5\) \[ A_5=\int_0^1x^{20}\sqrt x\,dx. \]
Méthode. Les deux facteurs sont des puissances de \(x\). On transforme donc \(\sqrt x\) en \(x^{1/2}\), puis on additionne les exposants.
Afficher la correction Masquer la correction

On transforme la racine carrée en puissance :

\[ x^{20}\sqrt x = x^{20}x^{1/2} = x^{41/2}. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A_5 &= \int_0^1x^{41/2}\,dx\\ &= \left[ \frac2{43}x^{43/2} \right]_0^1. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_5=\frac2{43}}. \]
L’écriture sous forme de puissance permet d’utiliser immédiatement la primitive de \(x^\alpha\).
Intégrale \(A_6\) \[ A_6= \int_0^2 (x+2)\sqrt{x^2+4x}\,dx. \]
Méthode. L’expression placée sous la racine est \(x^2+4x\). Sa dérivée est \(2(x+2)\), donc le facteur \(x+2\) présent devant la racine est exactement proportionnel à cette dérivée.
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ u(x)=x^2+4x. \]

Alors :

\[ u'(x)=2x+4=2(x+2). \]

Ainsi, une primitive de l'intégrande est :

\[ \frac13(x^2+4x)^{3/2}, \]

car :

\[ \left[ \frac13(x^2+4x)^{3/2} \right]' = (x+2)\sqrt{x^2+4x}. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A_6 &= \left[ \frac13(x^2+4x)^{3/2} \right]_0^2\\ &= \frac13(12)^{3/2}\\ &= \frac13(2\sqrt3)^3. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_6=8\sqrt3}. \]
On retrouve ici le même réflexe que pour \(A_1\) : chercher si la fonction composée est accompagnée de sa dérivée.
Intégrale \(A_7\) \[ A_7= \int_7^0 \frac{dx}{\sqrt[3]{1+x}}. \]
Méthode. On transforme la racine cubique en puissance. Sur l’intervalle considéré, \(1+x>0\), donc le dénominateur ne s’annule pas.
Afficher la correction Masquer la correction

On écrit :

\[ \frac1{\sqrt[3]{1+x}} = (1+x)^{-1/3}. \]

Une primitive est :

\[ \frac32(1+x)^{2/3}. \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} A_7 &= \left[ \frac32(1+x)^{2/3} \right]_7^0\\ &= \frac32 \left( 1-8^{2/3} \right)\\ &= \frac32(1-4)\\ &= -\frac92. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_7=-\frac92}. \]
L’intégrande est positive, mais les bornes sont inversées. Le signe négatif du résultat est donc cohérent.
Intégrale \(A_8\) \[ A_8=\int_0^1\frac{x}{1+x^4}\,dx. \]
Méthode. Le terme \(x^4\) peut s’écrire \((x^2)^2\), tandis que le numérateur contient \(x\,dx\). Le changement de variable \(u=x^2\) transforme donc l’intégrale en une forme contenant \(\dfrac1{1+u^2}\).
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ u=x^2. \]

Alors :

\[ du=2x\,dx \qquad\text{et}\qquad x\,dx=\frac12\,du. \]

Les bornes deviennent :

\[ x=0\Longrightarrow u=0, \qquad x=1\Longrightarrow u=1. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} A_8 &= \frac12\int_0^1\frac{du}{1+u^2}\\ &= \frac12 \left[ \operatorname{Arctan}u \right]_0^1\\ &= \frac12\cdot\frac{\pi}{4}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{A_8=\frac{\pi}{8}}. \]
Le changement de variable est choisi parce qu’il simplifie simultanément le numérateur et le terme \(x^4\) du dénominateur.

Exercice 02

Intégrale \(B_1\) \[ B_1=\int_1^2x\sqrt{x-1}\,dx. \]
Méthode. La racine dépend de \(x-1\). On réécrit donc \(x=(x-1)+1\) afin que toute l’expression soit construite à partir de la même quantité \(x-1\).
Afficher la correction Masquer la correction

On écrit :

\[ x=(x-1)+1. \]

Ainsi :

\[ x\sqrt{x-1} = (x-1)^{3/2} + (x-1)^{1/2}. \]

Une primitive est donc :

\[ \frac25(x-1)^{5/2} + \frac23(x-1)^{3/2}. \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} B_1 &= \left[ \frac25(x-1)^{5/2} + \frac23(x-1)^{3/2} \right]_1^2\\ &= \frac25+\frac23. \end{aligned} \]
\[ \boxed{B_1=\frac{16}{15}}. \]
La réécriture de \(x\) permet d’obtenir uniquement des puissances de \(x-1\), dont les primitives sont immédiates.
Intégrale \(B_2\) \[ B_2= \int_2^5 \frac{t}{\sqrt{t-1}}\,dt. \]
Méthode. Comme le dénominateur dépend de \(t-1\), on écrit de nouveau \(t=(t-1)+1\). Cela transforme le quotient en une somme de puissances de \(t-1\).
Afficher la correction Masquer la correction

On décompose :

\[ t=(t-1)+1. \]

Alors :

\[ \frac{t}{\sqrt{t-1}} = \sqrt{t-1} + \frac1{\sqrt{t-1}}. \]

Une primitive est :

\[ \frac23(t-1)^{3/2} + 2\sqrt{t-1}. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} B_2 &= \left[ \frac23(t-1)^{3/2} + 2\sqrt{t-1} \right]_2^5\\ &= \left(\frac{16}{3}+4\right) - \left(\frac23+2\right)\\ &= \frac{20}{3}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{B_2=\frac{20}{3}}. \]
La stratégie est identique à celle de \(B_1\) : exprimer tous les termes en fonction de la quantité qui apparaît sous la racine.
Intégrale \(B_3\)\[B_3=\int_0^3\frac{x}{(x+1)\sqrt{x+1}}\,dx.\]

Version proposée par PMM : remplacer le facteur \(x-1\) du dénominateur par \(x+1\), en conservant les bornes \(0\) et \(3\).

Méthode. Vérifier la continuité, puis écrire \(x=(x+1)-1\) pour obtenir deux puissances de \(x+1\).
Lire la correction +Masquer la correction −

L’intégrande de cette version est continue sur \([0;3]\), car \(x+1>0\). On décompose :

\[\frac{x}{(x+1)^{3/2}}=(x+1)^{-1/2}-(x+1)^{-3/2}.\]

Une primitive sur \(]-1;+\infty[\) est :

\[F(x)=2\sqrt{x+1}+\frac2{\sqrt{x+1}}.\]

En effet :

\[F'(x)=\frac1{\sqrt{x+1}}-\frac1{(x+1)^{3/2}}=\frac{x}{(x+1)\sqrt{x+1}}.\]

Par conséquent :

\[B_3=F(3)-F(0)=(4+1)-(2+2)=\boxed1.\]

Dans la transcription avec \(x-1\), le dénominateur s’annule en \(x=1\), à l’intérieur de \([0;3]\). L’intégrale initiale n’est donc pas une intégrale usuelle de fonction continue sur ce segment.

Intégrale \(B_4\) \[ B_4=\int_4^9\frac{dx}{x+\sqrt x}. \]
Méthode. La présence simultanée de \(x\) et de \(\sqrt x\) suggère le changement de variable \(t=\sqrt x\). On obtient alors \(x=t^2\), ce qui simplifie complètement le dénominateur.
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ t=\sqrt x. \]

Alors :

\[ x=t^2 \qquad\text{et}\qquad dx=2t\,dt. \]

Les nouvelles bornes sont :

\[ x=4\Longrightarrow t=2, \qquad x=9\Longrightarrow t=3. \]

De plus :

\[ x+\sqrt x = t^2+t = t(t+1). \]

Donc :

\[ \begin{aligned} B_4 &= \int_2^3\frac{2t}{t(t+1)}\,dt\\ &= 2\int_2^3\frac{dt}{t+1}\\ &= 2\left[\ln(t+1)\right]_2^3. \end{aligned} \]
\[ \boxed{B_4=2\ln\left(\frac43\right)}. \]
Le changement de variable transforme le dénominateur contenant une racine en une expression rationnelle très simple.
Intégrale \(B_5\) \[ B_5= \int_1^4 \frac{dx}{\sqrt x\,(x+1)}. \]
Méthode. On utilise encore \(t=\sqrt x\). Cette fois, le facteur \(\sqrt x\) du dénominateur se simplifie avec le facteur \(t\) provenant de \(dx=2t\,dt\).
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ t=\sqrt x. \]

Alors :

\[ x=t^2, \qquad dx=2t\,dt. \]

Les bornes deviennent :

\[ x=1\Longrightarrow t=1, \qquad x=4\Longrightarrow t=2. \]

Ainsi :

\[ \begin{aligned} B_5 &= \int_1^2 \frac{2t}{t(t^2+1)}\,dt\\ &= 2\int_1^2\frac{dt}{1+t^2}\\ &= 2\left[ \operatorname{Arctan}t \right]_1^2. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ B_5= 2\left( \operatorname{Arctan}2-\frac{\pi}{4} \right) }. \]
L’intégrale obtenue après changement de variable est de la forme usuelle \(\dfrac1{1+t^2}\).
Intégrale \(B_6\) \[ B_6= \int_2^3 \frac{2x}{(x-1)(x+2)}\,dx. \]
Méthode. Le dénominateur est un produit de deux facteurs du premier degré. On décompose la fraction en deux fractions simples afin de faire apparaître des primitives logarithmiques. Sur \([2;3]\), aucun des deux facteurs ne s’annule.
Afficher la correction Masquer la correction

Décomposons la fraction sous la forme :

\[ \frac{2x}{(x-1)(x+2)} = \frac{a}{x-1} + \frac{b}{x+2}. \]

En réduisant au même dénominateur :

\[ 2x=a(x+2)+b(x-1). \]

En identifiant les coefficients :

\[ \begin{cases} a+b=2,\\ 2a-b=0. \end{cases} \]

On obtient :

\[ a=\frac23, \qquad b=\frac43. \]

Ainsi :

\[ \frac{2x}{(x-1)(x+2)} = \frac{2}{3(x-1)} + \frac{4}{3(x+2)}. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} B_6 &= \left[ \frac23\ln|x-1| + \frac43\ln|x+2| \right]_2^3\\ &= \frac23\ln2 + \frac43\ln5 - \frac43\ln4. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ B_6= \frac23\ln2 + \frac43\ln\left(\frac54\right) }. \]
La décomposition transforme un quotient difficile à intégrer directement en une somme de deux formes logarithmiques usuelles.

Exercice 03

Intégrale \(C_1\) \[ C_1= \int_0^\pi \left( \cos\frac x2-\sin3x \right)dx. \]
Méthode. L’intégrande est une somme de deux fonctions trigonométriques dont les primitives sont directement connues. Il faut seulement tenir compte des coefficients présents dans les arguments.
Afficher la correction Masquer la correction

Une primitive de \(\cos\dfrac x2\) est \(2\sin\dfrac x2\).

Une primitive de \(-\sin3x\) est \(\dfrac13\cos3x\).

Donc :

\[ \begin{aligned} C_1 &= \left[ 2\sin\frac x2+\frac13\cos3x \right]_0^\pi\\ &= \left(2-\frac13\right) - \left(0+\frac13\right). \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_1=\frac43}. \]
Lorsque l’intégrande est une somme, on peut rechercher séparément une primitive de chacun de ses termes.
Intégrale \(C_2\) \[ C_2= \int_0^{\pi/4} \sin^3(2x)\,dx. \]
Méthode. On isole un facteur \(\sin(2x)\) puis on transforme \(\sin^2(2x)\) en \(1-\cos^2(2x)\). On fait ainsi apparaître la dérivée de \(\cos(2x)\).
Afficher la correction Masquer la correction

On écrit :

\[ \sin^3(2x) = \sin(2x) \left(1-\cos^2(2x)\right). \]

Posons :

\[ u=\cos(2x). \]

Alors :

\[ du=-2\sin(2x)\,dx. \]

Les bornes deviennent :

\[ x=0\Longrightarrow u=1, \qquad x=\frac{\pi}{4}\Longrightarrow u=0. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} C_2 &= -\frac12\int_1^0(1-u^2)\,du\\ &= \frac12\int_0^1(1-u^2)\,du\\ &= \frac12 \left[ u-\frac{u^3}{3} \right]_0^1. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_2=\frac13}. \]
La transformation trigonométrique est choisie uniquement pour faire apparaître une expression accompagnée de sa dérivée.
Intégrale \(C_3\) \[ C_3= \int_0^\pi \sin^3x\cos x\,dx. \]
Méthode. Le facteur \(\cos x\) est exactement la dérivée de \(\sin x\). L’intégrande est donc directement de la forme \(u^3u'\).
Afficher la correction Masquer la correction

On reconnaît la dérivée de \(\sin x\) :

\[ (\sin x)'=\cos x. \]

Une primitive de \(\sin^3x\cos x\) est donc :

\[ \frac14\sin^4x. \]

Ainsi :

\[ \begin{aligned} C_3 &= \left[ \frac14\sin^4x \right]_0^\pi\\ &= \frac14\sin^4\pi - \frac14\sin^40. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_3=0}. \]
La primitive prend la même valeur aux deux bornes, d’où une intégrale nulle.
Intégrale \(C_4\) \[ C_4= \int_0^{\pi/2} \frac{\cos x}{2+\sin x}\,dx. \]
Méthode. Le numérateur est la dérivée du dénominateur. On reconnaît donc une forme logarithmique. Avant d’utiliser le logarithme, on vérifie que \(2+\sin x>0\) sur tout l’intervalle.
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ u(x)=2+\sin x. \]

Alors :

\[ u'(x)=\cos x. \]

Une primitive est donc :

\[ \ln(2+\sin x), \]

car \(2+\sin x>0\) sur \(\left[0;\dfrac{\pi}{2}\right]\).

Ainsi :

\[ \begin{aligned} C_4 &= \left[ \ln(2+\sin x) \right]_0^{\pi/2}\\ &= \ln3-\ln2. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_4=\ln\left(\frac32\right)}. \]
Une primitive logarithmique ne doit pas être utilisée sans vérifier les conditions de définition de l’expression concernée.
Le quotient possède exactement la structure \(\dfrac{u'}u\).
Intégrale \(C_5\) \[ C_5= \int_{\pi/3}^{\pi/4} \cos(2x)\sin(3x)\,dx. \]
Méthode. Le produit \(\sin(3x)\cos(2x)\) n’a pas de primitive immédiate. On utilise une formule produit-somme afin d’obtenir une somme de sinus dont les primitives sont connues.
Afficher la correction Masquer la correction

On utilise la formule :

\[ \sin a\cos b = \frac12 \bigl( \sin(a+b)+\sin(a-b) \bigr). \]

Avec \(a=3x\) et \(b=2x\), on obtient :

\[ \sin(3x)\cos(2x) = \frac12 \bigl( \sin5x+\sin x \bigr). \]

Par conséquent :

\[ C_5= \frac12 \int_{\pi/3}^{\pi/4} \bigl(\sin5x+\sin x\bigr)\,dx. \]

Une primitive est :

\[ -\frac1{10}\cos5x-\frac12\cos x. \]

À la borne \(\dfrac{\pi}{4}\) :

\[ -\frac1{10}\cos\frac{5\pi}{4} - \frac12\cos\frac{\pi}{4} = -\frac{\sqrt2}{5}. \]

À la borne \(\dfrac{\pi}{3}\) :

\[ -\frac1{10}\cos\frac{5\pi}{3} - \frac12\cos\frac{\pi}{3} = -\frac3{10}. \]

Donc :

\[ C_5= -\frac{\sqrt2}{5} + \frac3{10}. \]
\[ \boxed{C_5=\frac{3-2\sqrt2}{10}}. \]
Les bornes sont données dans l’ordre \(\dfrac{\pi}{3}\) puis \(\dfrac{\pi}{4}\). Cet ordre doit être conservé.
La formule trigonométrique transforme un produit difficile à intégrer directement en une somme de primitives usuelles.
Intégrale \(C_6\) \[ C_6= \int_0^{\pi/8} \tan(2x)\,dx. \]
Méthode. On écrit la tangente sous la forme \(\dfrac{\sin(2x)}{\cos(2x)}\). Le numérateur devient alors proportionnel à la dérivée du dénominateur. Sur l’intervalle considéré, \(\cos(2x)>0\).
Afficher la correction Masquer la correction

On écrit :

\[ \tan(2x)=\frac{\sin(2x)}{\cos(2x)}. \]

Une primitive est :

\[ -\frac12\ln(\cos2x), \]

car \(\cos2x>0\) sur \(\left[0;\dfrac{\pi}{8}\right]\).

Ainsi :

\[ \begin{aligned} C_6 &= \left[ -\frac12\ln(\cos2x) \right]_0^{\pi/8}\\ &= -\frac12 \ln\left( \cos\frac{\pi}{4} \right)\\ &= -\frac12 \ln\left( \frac{\sqrt2}{2} \right). \end{aligned} \]

Or :

\[ \frac{\sqrt2}{2} = \frac1{\sqrt2}. \]
\[ \boxed{C_6=\frac14\ln2}. \]
La tangente est ramenée à une forme logarithmique en utilisant son écriture comme quotient sinus-cosinus.
Intégrale \(C_7\) \[ C_7= \int_0^{\pi/4} \left( \tan^3x+\tan x \right)dx. \]
Méthode. La somme se factorise par \(\tan x\). Le facteur restant \(1+\tan^2x\) est précisément la dérivée de \(\tan x\).
Afficher la correction Masquer la correction

On factorise :

\[ \tan^3x+\tan x = \tan x\left(1+\tan^2x\right). \]

Posons :

\[ u=\tan x. \]

Alors :

\[ du=(1+\tan^2x)\,dx. \]

Les bornes deviennent :

\[ x=0\Longrightarrow u=0, \qquad x=\frac{\pi}{4}\Longrightarrow u=1. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} C_7 &= \int_0^1u\,du\\ &= \left[ \frac{u^2}{2} \right]_0^1. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_7=\frac12}. \]
La factorisation a permis de faire apparaître exactement la dérivée de \(\tan x\).
Intégrale \(C_8\) \[ C_8= \int_{\pi^2/4}^{\pi^2} \frac{\cos\sqrt x}{\sqrt x}\,dx. \]
Méthode. La racine \(\sqrt x\) apparaît à la fois dans le cosinus et au dénominateur. Le changement de variable \(t=\sqrt x\) permet de supprimer simultanément ces deux difficultés.
Afficher la correction Masquer la correction

Posons :

\[ t=\sqrt x. \]

Alors :

\[ x=t^2 \qquad\text{et}\qquad dx=2t\,dt. \]

Les nouvelles bornes sont :

\[ x=\frac{\pi^2}{4} \Longrightarrow t=\frac{\pi}{2}, \qquad x=\pi^2 \Longrightarrow t=\pi. \]

Donc :

\[ \begin{aligned} C_8 &= \int_{\pi/2}^{\pi} \frac{\cos t}{t}\,2t\,dt\\ &= 2\int_{\pi/2}^{\pi}\cos t\,dt\\ &= 2\left[\sin t\right]_{\pi/2}^{\pi}. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_8=-2}. \]
Le signe négatif est cohérent puisque \(\cos t\leq0\) sur \(\left[\dfrac{\pi}{2};\pi\right]\).
Intégrale \(C_9\) \[ C_9= \int_0^{\pi/4} \tan^3x\,dx. \]
Méthode. La primitive de \(\tan^3x\) n’est pas immédiate. On utilise \(1+\tan^2x=\dfrac1{\cos^2x}\) afin de faire apparaître d’une part la dérivée de \(\tan x\), et d’autre part une intégrale de \(\tan x\).
Afficher la correction Masquer la correction

On utilise l'identité :

\[ 1+\tan^2x=\frac1{\cos^2x}. \]

Alors :

\[ \tan^3x = \tan x \left( \frac1{\cos^2x}-1 \right). \]

Donc :

\[ \int\tan^3x\,dx = \int \frac{\tan x}{\cos^2x}\,dx - \int\tan x\,dx. \]

Pour la première intégrale, on pose \(u=\tan x\), d'où :

\[ \int \frac{\tan x}{\cos^2x}\,dx = \frac12\tan^2x. \]

D'autre part :

\[ \int\tan x\,dx=-\ln(\cos x). \]

Ainsi, une primitive de \(\tan^3x\) est :

\[ \frac12\tan^2x+\ln(\cos x). \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} C_9 &= \left[ \frac12\tan^2x+\ln(\cos x) \right]_0^{\pi/4}\\ &= \frac12 + \ln\left(\frac{\sqrt2}{2}\right)\\ &= \frac12-\frac12\ln2. \end{aligned} \]
\[ \boxed{C_9=\frac{1-\ln2}{2}}. \]
L’identité trigonométrique permet de décomposer \(\tan^3x\) en deux termes dont les primitives sont accessibles avec les outils du cours.
Intégrale \(C_{10}\) \[ C_{10}= \int_0^{\pi/3} \frac{\cos(2x)} {(2+\sin2x)^4}\,dx. \]
Méthode. Le dénominateur est une puissance de \(2+\sin2x\), tandis que le numérateur contient \(\cos2x\), proportionnel à la dérivée de cette expression. Le changement de variable \(u=2+\sin2x\) est donc adapté.
Afficher la correction Masquer la correction

On pose :

\[ u=2+\sin2x. \]

Alors :

\[ du=2\cos2x\,dx \qquad\text{et}\qquad \cos2x\,dx=\frac12\,du. \]

Les bornes deviennent :

\[ x=0\Longrightarrow u=2, \]

et :

\[ x=\frac{\pi}{3} \Longrightarrow u= 2+\sin\frac{2\pi}{3} = 2+\frac{\sqrt3}{2}. \]

Ainsi :

\[ \begin{aligned} C_{10} &= \frac12 \int_2^{\,2+\sqrt3/2} u^{-4}\,du\\ &= \frac12 \left[ -\frac1{3u^3} \right]_2^{\,2+\sqrt3/2}\\ &= \frac16 \left[ \frac1{2^3} - \frac1{\left(2+\frac{\sqrt3}{2}\right)^3} \right]. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ C_{10} = \frac16 \left( \frac18 - \frac1{\left(2+\frac{\sqrt3}{2}\right)^3} \right) }. \]
Le choix du changement de variable repose encore sur le même réflexe : repérer une fonction composée accompagnée de sa dérivée.
À retenir.

Ces trois exercices montrent que la recherche d’une primitive commence par une lecture de la structure de l’intégrande. Une racine peut être transformée en puissance, une expression peut être développée ou réécrite en fonction d’une même quantité, tandis qu’une fonction composée conduit souvent à rechercher sa dérivée dans le reste de l’intégrande. Les changements de variable utilisés dans cette série ne sont pas choisis au hasard : ils servent à transformer l’intégrale en une forme déjà connue.

Avant tout calcul, il faut aussi contrôler le domaine de définition sur l’intervalle d’intégration. L’intégrale \(B_3\) montre que cette étape peut suffire à détecter une anomalie avant même de rechercher une primitive. Le réflexe général devient donc : vérifier les conditions, reconnaître la structure, choisir la transformation utile, déterminer une primitive puis appliquer les bornes.

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)
Lycée Oum Erbiaâ — M’rirt

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