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Correction des exercices 18 et 19 logarithme népérien

Correction des exercices 18 et 19 — Calcul des primitives

Manuel Al Moufid · 2e Bac Sciences Mathématiques

Les exercices 18 et 19 sont consacrés au calcul de primitives sur des intervalles précisément indiqués. Cette information est essentielle : lorsqu’une primitive fait intervenir un logarithme, le signe de l’expression située dans ce logarithme dépend souvent de l’intervalle étudié. L’objectif est donc de reconnaître d’abord la structure de la fonction : forme \(\frac{u'}u\), somme de termes élémentaires, expression à décomposer ou fonction nécessitant une substitution simple. Ensuite, on vérifie les conditions qui permettent d’écrire correctement le logarithme obtenu. Les calculs de la correction existante sont conservés dans leur ordre et dans leur méthode ; l’enrichissement explique surtout pourquoi chaque primitive est autorisée sur l’intervalle proposé et comment reconnaître la méthode à réutiliser.

Repère de cours.

Une primitive de \(f\) sur un intervalle \(I\) est une fonction \(F\) dérivable sur cet intervalle et vérifiant :

\[ F'(x)=f(x). \]

Une forme fondamentale utilisée dans ces exercices est la dérivée logarithmique. Lorsque \(u\) est dérivable et ne s’annule pas sur l’intervalle considéré :

\[ \int\frac{u'(x)}{u(x)}\,dx = \ln|u(x)|+C. \]

Si l’intervalle permet de connaître le signe de \(u(x)\), la valeur absolue peut être simplifiée correctement. C’est pourquoi il ne faut pas ignorer l’intervalle \(I\) donné dans l’énoncé.

Enfin, toutes les primitives d’une même fonction sur un intervalle diffèrent d’une constante réelle \(C\).

Méthode.

Avant de calculer, on cherche la structure de l’expression. Si un dénominateur possède presque sa dérivée au numérateur, on tente de faire apparaître \(\frac{u'}u\). Si la fonction est une somme, on primitive terme à terme. Lorsque l’expression contient \(1-\ln x\), \(\arctan x\) ou \(\sqrt{x}\), la correction utilise une substitution simple afin de revenir à une primitive connue. Après le calcul, on revient toujours à la variable \(x\) et on conserve la constante réelle \(C\).

Exercice 18 — Déterminer les primitives de la fonction \(f\)

Énoncé.

Pour chacun des huit cas proposés, déterminer les primitives de la fonction \(f\) sur l’intervalle \(I\) indiqué.

1. Primitive de \(f(x)=-\dfrac5x\)

\[ f(x)=-\frac5x, \qquad I=]0,+\infty[. \]
Afficher la correction

Sur l’intervalle \(I\), on a \(x\gt0\). On peut donc utiliser directement \(\ln x\), dont la dérivée est \(\frac1x\). Le coefficient \(-5\) reste simplement en facteur.

Sur \(I\), on a \(x\gt0\), donc :

\[ \int -\frac5x\,dx = -5\ln x+C. \]
\[ \boxed{F(x)=-5\ln x+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]
La présence de l’intervalle \(]0,+\infty[\) explique pourquoi la correction écrit \(\ln x\) sans valeur absolue.

2. Primitive de \(f(x)=-\dfrac1x\) sur \(]-\infty,0[\)

\[ f(x)=-\frac1x, \qquad I=]-\infty,0[. \]
Afficher la correction

Ici, \(x\) est négatif. L’expression \(\ln x\) n’est donc pas définie. En revanche, \(-x\gt0\) sur tout l’intervalle. C’est cette condition qui permet d’utiliser \(\ln(-x)\).

Sur \(I\), on a \(x\lt0\), donc \(-x\gt0\). Comme :

\[ \bigl(\ln(-x)\bigr)'=\frac1x, \]

on obtient :

\[ \int -\frac1x\,dx = -\ln(-x)+C. \]
\[ \boxed{F(x)=-\ln(-x)+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]
Cet exemple montre pourquoi le signe imposé par l’intervalle doit être étudié avant d’écrire une primitive logarithmique.

3. Primitive de \(f(x)=\dfrac1{x+2}\)

\[ f(x)=\frac1{x+2}, \qquad I=]-2,+\infty[. \]
Afficher la correction

On reconnaît immédiatement une expression de la forme \(\frac{u'}u\) avec \(u(x)=x+2\) et \(u'(x)=1\). L’intervalle donné garantit \(x+2\gt0\).

Sur \(I\), on a \(x+2\gt0\). Ainsi :

\[ \int\frac1{x+2}\,dx = \ln(x+2)+C. \]
\[ \boxed{F(x)=\ln(x+2)+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]

4. Primitive d’une fonction rationnelle

\[ f(x)=\frac{3x-5}{2x+1}, \qquad I=[0,+\infty[. \]
Afficher la correction

Le numérateur n’est pas directement la dérivée du dénominateur. La stratégie de la correction consiste donc à décomposer le numérateur afin de faire apparaître une constante et un terme de la forme \(\frac1{2x+1}\).

On décompose le numérateur :

\[ 3x-5 = \frac32(2x+1)-\frac{13}{2}. \]

Donc :

\[ \frac{3x-5}{2x+1} = \frac32-\frac{13}{2(2x+1)}. \]

Sur \(I\), on a \(2x+1\gt0\). Ainsi :

\[ \begin{aligned} \int\frac{3x-5}{2x+1}\,dx &= \frac32x -\frac{13}{2}\int\frac1{2x+1}\,dx\\ &= \frac32x -\frac{13}{4}\ln(2x+1)+C. \end{aligned} \]
\[ \boxed{F(x)=\frac32x-\frac{13}{4}\ln(2x+1)+C} \]
Lorsqu’un quotient de deux polynômes du premier degré ne donne pas immédiatement la forme \(\frac{u'}u\), penser à réécrire le numérateur à partir du dénominateur.

5. Reconnaître directement la forme \(\dfrac{u'}u\)

\[ f(x)=\frac{2x}{4+x^2}, \qquad I=\mathbb R. \]
Afficher la correction

Le dénominateur \(x^2+4\) a pour dérivée \(2x\), exactement le numérateur. De plus, il est strictement positif pour tout réel, donc le logarithme obtenu sera défini sur tout \(\mathbb R\).

On reconnaît la forme \(\dfrac{u'}u\) avec :

\[ u(x)=x^2+4 \qquad\text{et}\qquad u'(x)=2x. \]

Comme \(x^2+4\gt0\) pour tout réel \(x\) :

\[ \int\frac{2x}{x^2+4}\,dx = \ln(x^2+4)+C. \]
\[ \boxed{F(x)=\ln(x^2+4)+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]

6. Dérivée logarithmique d’un trinôme

\[ f(x)=\frac{2x+1}{x^2+x+4}, \qquad I=\mathbb R. \]
Afficher la correction

Le numérateur est exactement la dérivée du dénominateur. Il reste cependant à vérifier que ce dénominateur ne s’annule pas. La forme canonique utilisée dans la correction montre même qu’il reste strictement positif.

On pose :

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

Alors :

\[ u'(x)=2x+1. \]

De plus :

\[ x^2+x+4 = \left(x+\frac12\right)^2+\frac{15}{4} \gt0. \]

Ainsi :

\[ \int\frac{2x+1}{x^2+x+4}\,dx = \ln(x^2+x+4)+C. \]
\[ \boxed{F(x)=\ln(x^2+x+4)+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]

7. Somme de deux fractions sur \(]2,5[\)

\[ f(x)=\frac1{x-2}+\frac1{x-5}, \qquad I=]2,5[. \]
Afficher la correction

Les deux dénominateurs n’ont pas le même signe sur l’intervalle. Il faut donc tenir compte de \(x-2\gt0\) et de \(5-x\gt0\) pour écrire les logarithmes avec des arguments positifs.

Sur \(I\), on a :

\[ x-2\gt0 \qquad\text{et}\qquad 5-x\gt0. \]

Or :

\[ \left(\ln(x-2)\right)'=\frac1{x-2} \]

et :

\[ \left(\ln(5-x)\right)' = -\frac1{5-x} = \frac1{x-5}. \]

Donc :

\[ \int f(x)\,dx = \ln(x-2)+\ln(5-x)+C. \]
\[ \boxed{ F(x)=\ln\bigl((x-2)(5-x)\bigr)+C \qquad(C\in\mathbb R) } \]
Sur \(]2,5[\), les deux facteurs \(x-2\) et \(5-x\) sont positifs. Leur produit est donc positif, ce qui autorise l’écriture logarithmique finale.

8. Simplifier avant de chercher une primitive

\[ f(x)=\frac{2x^3+x^2+x-7}{x}, \qquad I=]-\infty,0[. \]
Afficher la correction

Le quotient doit d’abord être simplifié. On obtient alors une somme de puissances de \(x\) et un terme en \(1/x\). Chaque terme peut ensuite être primitivé séparément.

Pour \(x\neq0\), on simplifie :

\[ f(x) = 2x^2+x+1-\frac7x. \]

Sur \(I\), on a \(-x\gt0\), et :

\[ \bigl(\ln(-x)\bigr)'=\frac1x. \]

Par conséquent :

\[ \begin{aligned} \int f(x)\,dx &= \frac23x^3+\frac12x^2+x-7\ln(-x)+C. \end{aligned} \]
\[ \boxed{ F(x)=\frac23x^3+\frac12x^2+x-7\ln(-x)+C } \]

Exercice 19 — Déterminer les primitives de la fonction \(g\)

Énoncé.

Pour chacun des sept cas proposés, déterminer les primitives de la fonction \(g\) sur l’intervalle \(I\) indiqué.

1. Somme de primitives élémentaires

\[ g(x)=x^2-2+\frac4{5x+1}, \qquad I=[0,+\infty[. \]
Afficher la correction

La fonction est une somme de trois termes. Les deux premiers se primitivent directement. Pour le troisième, la dérivée de \(5x+1\) vaut \(5\), ce qui explique l’apparition du facteur \(\frac15\).

Sur \(I\), on a \(5x+1\gt0\). Alors :

\[ \begin{aligned} \int g(x)\,dx &= \int x^2\,dx -2\int dx +4\int\frac1{5x+1}\,dx\\ &= \frac{x^3}{3}-2x+\frac45\ln(5x+1)+C. \end{aligned} \]
\[ \boxed{G(x)=\frac{x^3}{3}-2x+\frac45\ln(5x+1)+C} \]

2. Deux dérivées logarithmiques

\[ g(x)=\frac{\ln x}{x}+\frac1{x\ln x}, \qquad I=]1,+\infty[. \]
Afficher la correction

Sur \(]1,+\infty[\), on a à la fois \(x\gt0\) et \(\ln x\gt0\). Le premier terme se reconnaît comme la dérivée d’une puissance de \(\ln x\), tandis que le second est la dérivée logarithmique de \(\ln x\).

Sur \(I\), on a \(\ln x\gt0\). D’une part :

\[ \int\frac{\ln x}{x}\,dx = \frac12(\ln x)^2. \]

D’autre part :

\[ \int\frac1{x\ln x}\,dx = \ln(\ln x). \]

Donc :

\[ \boxed{G(x)=\frac12(\ln x)^2+\ln(\ln x)+C} \]
La condition \(x\gt1\) est essentielle pour que \(\ln(\ln x)\) soit bien défini.

3. Substitution \(u=1-\ln x\)

\[ g(x)=\frac5{x\sqrt{1-\ln x}}, \qquad I=]0,e[. \]
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L’expression \(1-\ln x\) apparaît sous une racine tandis que son différentiel fait intervenir \(\frac{dx}{x}\). La substitution choisie dans la correction transforme donc directement l’intégrale en une puissance de \(u\).

Posons :

\[ u=1-\ln x. \]

Alors :

\[ du=-\frac{dx}{x}. \]

Sur \(I\), on a \(u\gt0\). Ainsi :

\[ \begin{aligned} \int\frac5{x\sqrt{1-\ln x}}\,dx &= -5\int u^{-1/2}\,du\\ &= -10\sqrt{u}+C. \end{aligned} \]

En revenant à \(x\) :

\[ \boxed{G(x)=-10\sqrt{1-\ln x}+C} \]
Le signe négatif provient de \(du=-\frac{dx}{x}\). Il ne doit pas être perdu lors du changement de variable.

4. Primitive de la fonction tangente

\[ g(x)=\tan x, \qquad I=\left]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right[. \]
Afficher la correction

La fonction tangente s’écrit comme un quotient \(\frac{\sin x}{\cos x}\). Sur l’intervalle donné, \(\cos x\gt0\), ce qui permet d’écrire directement \(\ln(\cos x)\).

Sur \(I\), on a \(\cos x\gt0\). De plus :

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

Comme :

\[ (\cos x)'=-\sin x, \]

on obtient :

\[ \int\tan x\,dx = -\ln(\cos x)+C. \]
\[ \boxed{G(x)=-\ln(\cos x)+C\qquad(C\in\mathbb R)} \]

5. Dérivée logarithmique de \(\arctan x\)

\[ g(x)=\frac1{(1+x^2)\arctan x}, \qquad I=]0,+\infty[. \]
Afficher la correction

Le facteur \(\frac1{1+x^2}\) est précisément la dérivée de \(\arctan x\). La substitution de la correction fait donc apparaître immédiatement une intégrale de la forme \(\int\frac{du}{u}\).

Posons :

\[ u=\arctan x. \]

Alors :

\[ du=\frac{dx}{1+x^2}. \]

Sur \(I\), on a \(\arctan x\gt0\). Donc :

\[ \int\frac1{(1+x^2)\arctan x}\,dx = \int\frac{du}{u} = \ln u+C. \]

En revenant à \(x\) :

\[ \boxed{G(x)=\ln(\arctan x)+C} \]
L’hypothèse \(x\gt0\) garantit ici \(\arctan x\gt0\), donc le logarithme final est bien défini.

6. Primitive de \(\dfrac1{\sin(2x)}\)

\[ g(x)=\frac1{\sin(2x)}, \qquad I=\left]0,\frac{\pi}{2}\right[. \]
Afficher la correction

La correction ne cherche pas une nouvelle formule de primitive. Elle transforme l’expression afin de reconnaître la dérivée logarithmique de \(\tan x\). Le facteur \(2\) de la formule \(\sin(2x)=2\sin x\cos x\) explique le coefficient final \(\frac12\).

Sur \(I\), on a \(\tan x\gt0\). Or :

\[ \left(\ln(\tan x)\right)' = \frac{\tan'(x)}{\tan x} = \frac{1/\cos^2x}{\sin x/\cos x} = \frac1{\sin x\cos x}. \]

Comme :

\[ \sin(2x)=2\sin x\cos x, \]

on en déduit :

\[ \frac1{\sin(2x)} = \frac12\left(\ln(\tan x)\right)'. \]
\[ \boxed{G(x)=\frac12\ln(\tan x)+C} \]

7. Substitution \(t=\sqrt{x}\)

\[ g(x)=\frac1{x+\sqrt{x}}, \qquad I=]0,+\infty[. \]
Afficher la correction

La coexistence de \(x\) et de \(\sqrt{x}\) suggère de poser directement \(t=\sqrt{x}\). Comme \(x\gt0\), on a \(t\gt0\) et cette substitution transforme le dénominateur en un produit simple.

Posons :

\[ t=\sqrt{x}. \]

Alors :

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

De plus :

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

Ainsi :

\[ \begin{aligned} \int\frac{dx}{x+\sqrt{x}} &= \int\frac{2t\,dt}{t(t+1)}\\ &= 2\int\frac{dt}{t+1}\\ &= 2\ln(t+1)+C. \end{aligned} \]

En revenant à \(x\) :

\[ \boxed{G(x)=2\ln(1+\sqrt{x})+C} \]
Puisque \(x\gt0\), on a \(1+\sqrt{x}\gt0\) : le logarithme obtenu est donc bien défini sur tout l’intervalle demandé.

À retenir

Ces deux exercices montrent que le calcul d’une primitive ne consiste pas seulement à connaître une liste de formules. Il faut d’abord reconnaître la structure de la fonction. La forme \(\frac{u'}u\) conduit au logarithme, mais l’intervalle étudié permet de déterminer si l’on écrit \(\ln u\), \(\ln(-u)\) ou plus généralement \(\ln|u|\). Certaines expressions doivent être décomposées avant l’intégration, comme dans la fonction 4 de l’exercice 18, tandis que d’autres deviennent simples après une substitution adaptée, comme \(u=1-\ln x\), \(u=\arctan x\) ou \(t=\sqrt{x}\). Enfin, une primitive obtenue doit pouvoir être vérifiée en la dérivant : on doit retrouver exactement la fonction donnée. Toutes les primitives sur le même intervalle s’obtiennent ensuite en ajoutant une constante réelle \(C\).

Correction rédigée par Professeur Hammou Boudraa — Parcours Maths Maroc (PMM)

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