Revenir au guide MATH 141 · McGill
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1. Observer la structure avant de choisir une formule
Connaître des formules d’intégration ne suffit pas toujours pour savoir par où commencer. Une première question utile est : quelle transformation rendrait cette expression plus facile à intégrer? On peut simplifier son écriture algébrique, remplacer une expression composée par une nouvelle variable ou transformer l’intégrale en une autre plus simple.
Ce guide développe ce raisonnement à l’aide de la substitution, de l’intégration par parties, des fractions partielles et de la substitution trigonométrique. Il suppose que vous connaissez les primitives usuelles ainsi que les règles de dérivation en chaîne et du produit. Le but est de pouvoir justifier votre première étape, reconnaître quand elle n’aide pas et vérifier le résultat.
Dans la notation qui suit, est la variable d’intégration et précise cette variable. L’intégrande est l’expression qu’on intègre. Une primitive est une fonction dont la dérivée est égale à l’intégrande. Le symbole désigne une constante réelle arbitraire : ajouter une constante ne change pas la dérivée. Le nombre est la base de l’exponentielle naturelle; désigne le logarithme naturel, sa fonction réciproque.
Comparez ces deux intégrales presque identiques :
Les deux contiennent un produit. Dans la première, la dérivée de l’exposant est : le facteur devant l’exponentielle fournit donc la dérivée recherchée, à un facteur constant près. Dans la seconde, la dérivée de l’exposant est simplement ; le facteur reste à traiter. Cette petite différence rend la substitution naturelle pour la première et l’intégration par parties utile pour la seconde.
Parcours du guide : simplifier → substituer → intégrer par parties → décomposer en fractions partielles → combiner et vérifier → substitution trigonométrique → s’exercer. Lisez les exemples résolus dans l’ordre, puis essayez les exercices avant d’ouvrir les solutions.
2. Simplifier avant de choisir une technique
Une intégrale qui ressemble à un quotient peut ne demander qu’une division ou une simplification de facteurs. Par exemple :
Le logarithme apparaît parce que la règle d’intégration des puissances exclut l’exposant . Aucune autre méthode n’est nécessaire ici. De même, développer un produit court de polynômes peut être plus simple qu’intégrer par parties. En revanche, gardez une puissance comme sous sa forme compacte lorsque la dérivée de l’expression intérieure apparaît à proximité.
Si l’algèbre vous bloque, reprenez le guide Avant le calcul : 10 compétences en algèbre à maîtriser. Ici, nous examinerons surtout ce que l’algèbre révèle sur le choix d’une méthode d’intégration.
3. La substitution : remonter la règle de dérivation en chaîne
Soit une fonction et l’une de ses primitives, donc ; le symbole prime indique une dérivée. Soit une fonction intérieure dérivable. On utilise pour désigner sa valeur. La règle de dérivation en chaîne donne :
Lire cette égalité en sens inverse explique la substitution, aussi appelée changement de variable. Quand l’intégrande contient accompagné de , poser permet de regrouper ces éléments sous la forme . La différentielle traduit le changement de variable : elle fait partie du calcul.
Exemple résolu : ajuster un facteur constant
Pour , choisissons . Alors , donc :
Le facteur compense l’écart entre et . La dérivée du résultat est , exactement l’intégrande de départ.
Vérifier l’ensemble du changement de variable
Dans , poser donne , puis . Mais enlever le facteur devant l’exponentielle change le problème. Pour , la même substitution ne donne pas . On ne peut pas supprimer le facteur nécessaire au remplacement de .
Point de contrôle : après la substitution, avez-vous réécrit toutes les variables et la différentielle de façon cohérente? La nouvelle intégrale est-elle plus simple? La présence de la dérivée intérieure est un indice précieux, mais elle n’est pas indispensable à toute substitution utile. Il faut parfois aussi exprimer un facteur restant en fonction de .
4. Comprendre le rôle de la différentielle et des bornes
Considérons une intégrale définie avec et . Lorsque , on a ; lorsque , on a :
Les courbes ci-dessous ont des formes différentes et ne couvrent pas les mêmes intervalles horizontaux. Pourtant, les aires colorées sont égales. La substitution change à la fois l’expression de la fonction et la mesure des largeurs horizontales.
Le symbole désigne une petite variation de , et la variation correspondante de . Pour une bande suffisamment étroite, ; à la limite, on obtient . La hauteur initiale et la nouvelle hauteur décrivent la même quantité accumulée lorsqu’on les associe à la largeur appropriée. Changer seulement le nom de la fonction ferait perdre cette compensation.
Deux démarches permettent de terminer correctement une intégrale définie :
- Passer entièrement à , y compris dans les bornes, comme ci-dessus
- Trouver une primitive, revenir à , puis utiliser les bornes initiales en
N’évaluez pas une primitive en avec des bornes restées en . N’ajoutez pas à la valeur numérique finale : la constante s’annule lorsqu’on soustrait les valeurs aux bornes.
Comparaison rapide : suggère un logarithme. L’intégrale voisine correspond à la primitive usuelle en arctangente. Le numérateur détermine quelle dérivée on reconnaît.
5. L’intégration par parties : remonter la règle du produit
Pour cette méthode, et désignent des fonctions dérivables de . Il s’agit de nouveaux choix, sans lien avec la variable de substitution de la section précédente. Leurs différentielles sont et . La règle du produit donne . En intégrant puis en réorganisant :
Cette formule remplace une intégrale par une autre. Choisissez pour que sa dérivée soit utile, et pour pouvoir réellement trouver . Examinez ensuite l’intégrale restante avant de poursuivre un long calcul.
Exemple résolu : diminuer la difficulté
Revenons à . Dériver fait disparaître ce facteur, et intégrer est simple :
Pourquoi a-t-on avancé? L’intégrale restante ne contient plus le facteur polynomial. En dérivant la réponse, on obtient deux termes supplémentaires de signes opposés. Ils s’annulent et il reste .
Inverser les choix est permis, mais peu utile : prendre et laisse une intégrale contenant . Le degré du polynôme a augmenté au lieu de diminuer. Une application correcte de la formule ne garantit donc pas un choix efficace.
Un produit peut être caché
Dans , écrivons l’intégrande sous la forme , avec . Choisissons et :
Le gain vient de la simplification dans , même si , pris seul, ne semble pas plus simple. C’est pourquoi une suggestion comme « dériver d’abord le logarithme » est un repère utile, sans garantir que le choix fonctionnera.
Erreur fréquente : intégrer un produit ne revient pas à multiplier deux primitives. Par exemple, , tandis que a pour dérivée , et non .
Quand l’intégration par parties ramène l’intégrale de départ
Une seule intégration par parties ne termine pas toujours le calcul. Dans un produit de polynôme et d’exponentielle, les dérivations successives peuvent faire disparaître le polynôme. Dans un produit d’exponentielle et de sinus ou de cosinus, dériver deux fois le facteur trigonométrique ramène la même fonction avec un changement de signe. On peut ainsi obtenir une équation dont l’inconnue est l’intégrale, même si aucun facteur ne disparaît.
Utilisez cette section après l’exemple à une seule intégration par parties ci-dessus. Nous appliquerons deux fois la méthode, puis résoudrons l’équation obtenue. Les arguments trigonométriques sont en radians.
Exemple résolu : conserver la même intégrale tout au long du calcul
Trouvons une primitive de . Pour traiter les constantes sans ambiguïté, définissons d’abord deux fonctions particulières avec la même borne inférieure fixe :
La lettre désigne la variable d’intégration, et la borne supérieure. Les deux fonctions valent zéro en ; aucune ne contient donc de constante arbitraire. Les intégrandes sont continus sur tous les réels.
Premier passage : choisissons , , donc et . Utilisons la forme définie :
Deuxième passage : dans , dérivons de nouveau le facteur trigonométrique. Avec et , on a . Le signe moins de la formule et celui de donnent un signe plus :
Remplacer et résoudre : le qui réapparaît est exactement la fonction définie au départ. Arrêtons d’intégrer et regroupons les termes qui la contiennent.
Vérifions la condition imposée par la borne fixe : la dernière expression donne . Puisque , la famille complète des primitives est
Le nombre fixe est absorbé dans l’unique constante réelle arbitraire . N’ajoutez pas une nouvelle constante indépendante à chaque apparition de ou de pendant la résolution. On peut aussi effectuer un calcul de primitives à une constante additive près, puis rétablir une seule constante à la fin.
Vérification indépendante par dérivation : la règle du produit donne
Un retour peut aussi être inutile
Après le premier passage, choisir et dans donnerait . En remplaçant, on obtiendrait seulement : le deuxième passage aurait défait le premier. Cette identité ne fournit aucune valeur. Continuez plutôt à dériver le facteur trigonométrique. Un retour utile donne une équation comme , où le coefficient de est non nul.
Démarche à montrer à l’examen : nommez l’intégrale recherchée; écrivez les deux choix de et de ; conservez signes et facteurs constants devant l’intégrale suivante; remplacez l’intégrale qui réapparaît par son nom; résolvez l’équation; dérivez le résultat. Pour des intégrales définies, gardez les mêmes bornes dans toutes les intégrales et évaluez les deux extrémités de chaque terme entre crochets.
Trois questions progressives : répéter, reconnaître, puis réutiliser
Utilisez les indices dès que vous en avez besoin. L’exemple résolu fait réapparaître l’intégrale; la première question montre une autre raison de répéter la méthode.
1. Réduire deux fois un polynôme
Trouvez . Expliquez pourquoi répéter l’intégration par parties est utile ici, puis vérifiez votre réponse par dérivation.
Indice
Dérivez chaque fois le polynôme : devient , puis une constante. Intégrer conserve sa forme.
Réponse expliquée
Choisissez d’abord , . Intégrez ensuite par parties l’intégrale restante , avec et . En gardant les égalités intermédiaires à une constante additive près, on obtient
Le degré du polynôme diminue; aucune équation avec l’intégrale de départ n’est nécessaire. La dérivée vaut . Cette vérification contrôle tous les coefficients.
2. Conserver un nouveau facteur exponentiel pendant le cycle
Trouvez . Ne recopiez pas le facteur de la réponse de l’exemple. Montrez l’équation produite par deux intégrations par parties et vérifiez la primitive obtenue.
Indice
Utilisez et . Dérivez le cosinus ou le sinus et intégrez l’exponentielle. Chaque intégration de introduit un facteur .
Réponse expliquée
Avec les fonctions à borne fixe de l’indice, les deux passages donnent
La borne inférieure contribue à la première ligne et zéro à la deuxième. Remplaçons la deuxième équation dans la première :
Cette expression vérifie . La famille demandée est donc
Vérifions par dérivation :
Le dénominateur 5 vient de la résolution de l’équation. Ce n’est pas une formule d’intégration par parties à mémoriser.
3. Conserver les bornes dans un calcul d’intégrale définie
Calculez en intégrant deux fois par parties directement avec ces bornes. Donnez une réponse exacte et vérifiez son signe.
Indice
Posez . Une primitive de est . Dans le deuxième terme entre crochets, la valeur en zéro n’est pas nulle.
Réponse expliquée
Dérivez le facteur trigonométrique à chaque passage et conservez l’intervalle :
Le deuxième terme entre crochets vaut . Le remplacement donne , d’où
Pour une vérification indépendante, a pour dérivée . La différence redonne la valeur exacte. De plus, l’intégrande est strictement positif à l’intérieur de l’intervalle et inférieur à ; ainsi, . Aucune constante arbitraire ne s’ajoute à la réponse numérique finale.
Si un coefficient ou un signe a changé de façon inattendue, repérez la première ligne concernée et refaites ce passage avant de reprendre la question complète. Pour choisir parmi plusieurs méthodes, revenez aux exercices mixtes ci-dessous.
6. Décomposer en fractions partielles
La décomposition en fractions partielles, aussi appelée décomposition en éléments simples, réécrit une fonction rationnelle, c’est-à-dire un quotient de polynômes. Elle défait une mise au même dénominateur pour faire apparaître des termes dont on connaît les primitives. Avant de décomposer, effectuez la division polynomiale si le degré du numérateur est supérieur ou égal à celui du dénominateur. Vérifiez aussi si une simplification de facteurs ou une substitution directe suffit.
Exemple résolu : deux facteurs linéaires distincts
La fraction suivante est propre : le degré de son numérateur est inférieur à celui de son dénominateur. Le dénominateur contient deux facteurs linéaires distincts. On essaie donc un numérateur constant au-dessus de chacun. Appelons et les coefficients réels inconnus :
Mettre le membre de droite au même dénominateur donne le numérateur . Pour que les expressions soient égales partout où elles sont définies, leurs numérateurs polynomiaux doivent être identiques :
Ainsi, et , d’où et . On intègre maintenant la somme équivalente :
Pour vérifier, dérivez puis remettez les fractions au même dénominateur. Les expressions entre les barres de valeur absolue peuvent être négatives alors que la fonction rationnelle initiale reste définie. La valeur absolue rend l’argument de chaque logarithme positif, comme l’exige le logarithme réel. On conserve les exclusions et .
Le dénominateur seul ne détermine pas la méthode
Dans , le numérateur est exactement la dérivée du dénominateur. La substitution donne directement . Les fractions partielles fonctionnent aussi et donnent . Ces expressions coïncident partout où le dénominateur est non nul.
Le numérateur de l’exemple résolu, , n’est pas un multiple constant de . Une substitution directe ne règle donc pas tout le calcul. On peut isoler une partie proportionnelle à la dérivée du dénominateur, mais il reste une autre partie à intégrer.
Reconnaître les autres formes
Dans les formes suivantes, , et sont des coefficients réels inconnus à déterminer en identifiant les numérateurs. On utilise pour éviter de confondre un coefficient avec la constante d’intégration . Pour un facteur répété, il faut prévoir toutes les puissances jusqu’à celle qui apparaît au dénominateur. Après la division éventuelle, un dénominateur conduit à la forme :
Un polynôme quadratique irréductible ne se factorise pas en facteurs linéaires réels. Un tel facteur, par exemple , demande un numérateur de degré au plus un : . Il peut mener à des logarithmes et à des arctangentes. Un dénominateur qui ne se décompose pas en facteurs linéaires réels ne marque donc pas la fin de la méthode.
Par exemple, séparer les deux termes du numérateur fait apparaître deux formes connues :
7. Combiner les méthodes et vérifier le domaine
Plusieurs méthodes peuvent se succéder. Dans , écrivons . On pose , puis on intègre par parties :
Après une substitution, posez-vous de nouveau la question : quelle est la structure de la nouvelle intégrale?
Une primitive se considère sur un intervalle
Dans l’exemple de fractions partielles, l’intégrande n’est défini ni en ni en . La formule de la primitive est valable sur chacun des trois intervalles séparés par ces points. Les constantes choisies sur des intervalles différents ne sont pas forcément égales.
N’appliquez pas directement la différence des valeurs aux bornes en traversant une singularité sans vérifier les intégrales impropres correspondantes. Par exemple, diverge au sens usuel des intégrales impropres. Substituer les bornes dans pour annoncer zéro est incorrect.
Quand reconsidérer une méthode et comment vérifier
Dérivez la réponse proposée et simplifiez jusqu’à retrouver l’intégrande initial. Vérifiez les signes, les facteurs constants et l’intervalle sur lequel les deux expressions sont valables. Un test numérique ponctuel peut révéler une erreur, mais il ne prouve ni une identité ni la convergence d’une intégrale.
Si votre essai laisse une intégrale plus difficile, réexaminez le choix. Des identités trigonométriques, une substitution trigonométrique, plusieurs intégrations par parties ou d’autres outils peuvent être appropriés. Certaines fonctions continues, dont , possèdent des primitives qui ne s’expriment pas à l’aide des fonctions élémentaires : combinaisons finies des fonctions algébriques, exponentielles, logarithmiques, trigonométriques et trigonométriques réciproques usuelles. On peut tout de même approcher numériquement leurs intégrales définies sur des intervalles finis. L’échec d’une méthode ne prouve pas l’absence de primitive élémentaire.
Lorsqu’il reste un radical quadratique, comparez ci-dessous les substitutions par le sinus, la tangente et la sécante. Choisissez l’identité et l’intervalle angulaire, puis vérifiez le signe avant de calculer.
8. Substitution trigonométrique : choisir selon le radical et son signe
Une substitution trigonométrique peut transformer un radical quadratique en une expression trigonométrique connue. Vérifiez d’abord si un changement de variable ordinaire suffit : la présence de peut rendre le choix efficace. Sinon, comparez les trois formes ci-dessous. Soit une constante fixée; le nouvel angle est mesuré en radians. Ici, .
Trois radicaux, trois identités
Le carré d’une constante moins celui de la variable : pour , choisissez le sinus, car .
Cet intervalle couvre et donne . Si le radical est au dénominateur, excluez et utilisez l’intervalle angulaire ouvert. Pour un exemple complet avec retour à , consultez la question 6(b) : substitution par le sinus pour une différence de carrés.
Une somme de carrés : pour , choisissez la tangente, car .
Cet intervalle couvre tous les réels et donne , même lorsque . Consultez la solution 6 : substitution par la tangente avec changement des bornes pour un exemple complet d’intégrale définie. Ces exemples liés sont des exercices originaux présentés dans le contexte de MATH 205 à Concordia; ils peuvent servir d’exercices thématiques dans d’autres cours, sans constituer des évaluations officielles.
Le carré de la variable moins celui d’une constante : pour , choisissez la sécante, car . Commençons par la branche :
Ici, et sont positives. Le radical est aussi réel pour , mais cette branche exige un autre choix d’angle et de signe. La règle générale est pour tout réel ; c’est l’intervalle choisi pour l’angle qui permet d’enlever la valeur absolue. En , vérifiez l’intégrande initial avant d’inclure une extrémité.
Exemple résolu : la sécante sur la branche positive
Trouvez la primitive suivante pour :
Avec sur , remplacez ensemble le radical, le dénominateur et la différentielle :
Revenez entièrement à . La substitution donne et . La fonction réciproque du cosinus, , prend ses valeurs dans ; ici, elle donne un angle dans . Ainsi,
Vérifiez par dérivation : posons . Sur cette branche positive, ; la dérivée vaut donc
On retrouve l’intégrande initial. La condition sur la branche intervient dans la substitution comme dans la vérification par dérivation.
Repérer l’erreur de signe sur la branche négative
Pour , on peut encore choisir , cette fois avec . Sur cet intervalle, et , donc
Par exemple, donne et . La racine carrée vaut , alors que est négatif. Réutiliser la simplification de la branche positive inverserait le signe. Travaillez séparément sur chaque intervalle connexe; la constante d’intégration d’une branche ne détermine pas celle de l’autre.
Trois vérifications progressives
Utilisez ces questions pour vous exercer; ouvrez une réponse quand cela vous aide. Écrivez la substitution, l’intervalle angulaire et la différentielle avant de simplifier les facteurs.
1. Reconnaître et préparer
Pour , où est réel, choisissez une substitution. Donnez , un intervalle angulaire et le radical simplifié en justifiant son signe.
Vérifier la mise en place
Prenez avec . Alors et , puisque sur cet intervalle. L’identité utilisée est .
2. Réutiliser la méthode dans une nouvelle intégrale
Pour , calculez l’intégrale ci-dessous. Expliquez pourquoi le signe de la racine et la fonction trigonométrique réciproque choisie conviennent à cet intervalle.
Vérifier le calcul
Choisissez , avec . Alors et . Après simplification,
Comme , l’angle appartient à . La dérivation donne , en utilisant .
3. Analyser une branche moins familière
Pour , une personne pose , avec , puis écrit . Corrigez le signe et déterminez si l’expression différentielle ci-dessous devient ou :
Vérifier le diagnostic
Ici, , donc . Avec ,
De plus, , tandis que l’intégrande initial est négatif pour , ce qui confirme le signe moins. Le mauvais signe de la racine donnerait le résultat opposé.
Si un signe ou une substitution vous semble incertain, un tuteur peut comparer les trois identités avec vous, choisir un intervalle angulaire et vous aider à vérifier chaque facteur avant un nouvel exemple. Vous pouvez partir des bases. Les séances de tutorat sont actuellement offertes en anglais.
9. S’exercer à choisir avant de calculer
Pour chaque exercice, justifiez votre première étape en une phrase. Vérifiez une primitive en la dérivant; pour une intégrale définie, contrôlez les bornes transformées et le calcul aux bornes. Ajoutez seulement aux intégrales indéfinies et précisez les restrictions.
Niveau 1 : une première étape suggérée
1. Faire correspondre une dérivée. Choisissez . Quel facteur constant compense la différence entre et le numérateur accompagné de ?
2. Réduire un facteur. Essayez . Trouvez soigneusement avant d’appliquer l’intégration par parties.
Niveau 2 : moins d’indices
3. Comparer les indices. Expliquez pourquoi ces deux quotients suggèrent des primitives usuelles différentes.
4. Éviter le travail inutile. Simplifiez avant de choisir une technique particulière.
5. Décomposer et justifier. Trouvez les deux coefficients et indiquez les intervalles permis.
Niveau 3 : choisir sans indication
6. Choisir et justifier une démarche. Expliquez en quoi chaque étape aide.
7. Garder des bornes cohérentes. Calculez l’intégrale et expliquez votre première étape.
8. Analyser une réponse fausse. Une personne affirme que pour . Dérivez la primitive proposée. Expliquez pourquoi « diviser par la dérivée intérieure » échoue ici.
10. Solutions expliquées
Solution 1 : ajuster le facteur constant
Avec , on a . Le numérateur accompagné de fournit donc :
Les barres de valeur absolue sont inutiles ici, car pour tout réel . Pour vérifier, dérivez : .
Solution 2 : intégrer par parties
Choisissons , , et . La dérivation réduit le facteur et l’intégrale restante est une intégrale de sinus :
Le signe plus vient de la soustraction d’une intégrale dont la primitive contient déjà un signe moins. La réponse est valable pour tout réel .
Solution 3 : distinguer logarithme et arctangente
En (a), donne . La réponse est donc . En (b), on reconnaît la forme usuelle de l’arctangente. On peut aussi poser , donc et :
Les deux réponses sont définies pour tout réel . Le dénominateur commun ne rend pas les numérateurs interchangeables.
Solution 4 : simplifier en conservant l’exclusion
La factorisation donne , mais seulement pour . On intègre donc le polynôme :
Cette réponse s’utilise sur l’un ou l’autre des intervalles qui évitent , avec une constante indépendante sur chaque intervalle si nécessaire. La simplification raccourcit la formule sans rétablir le point exclu du domaine initial.
Solution 5 : déterminer les coefficients et les intervalles
Écrivons . L’identification des numérateurs donne et . Ainsi, et , puis :
La primitive s’utilise sur , ou , avec une constante indépendante sur chaque intervalle si nécessaire. La dérivée se remet au même dénominateur :
Solution 6 : substituer, puis intégrer par parties
Posons , donc . On intègre ensuite par parties : on dérive le facteur et on prend comme primitive de .
En dérivant, les termes supplémentaires s’annulent. Il reste l’intégrande initial. La réponse est valable pour tout réel .
Solution 7 : transformer les deux bornes
Avec , on a ; les bornes deviennent et . Une primitive de est :
Il s’agit d’une valeur numérique, donc on n’ajoute pas de constante .
Solution 8 : repérer le terme oublié
Pour , la dérivée de la réponse proposée est :
Le terme supplémentaire prouve que la réponse est fausse. Diviser par une dérivée qui dépend de la variable introduit un facteur dont la dérivée doit aussi être prise en compte. Une dérivée intérieure constante, comme dans , se comporte autrement.
Complément facultatif : estimer une intégrale à partir de mesures
L’estimation de 35 minutes du guide concerne le parcours principal d’intégration exacte. Prévoyez 20 à 25 minutes supplémentaires pour ce complément et ses quatre exercices. Utilisez-le si votre cours comprend l’intégration numérique. Les sections précédentes cherchent des primitives exactes; ici, les données peuvent être un tableau de taux mesurés ou une fonction dont l’intégrale définie se calcule plus facilement par approximation.
Commencez par la quantité recherchée. Si le débit d’une pompe est litres par minute, alors représente le volume fourni entre les instants et , en litres. Un tableau ne donne le débit qu’aux instants de mesure. Toute estimation entre ces instants repose sur une hypothèse d’interpolation.
1. Relier les mesures voisines par des segments
Soient les positions des mesures, et posons . Il y a intervalles et valeurs mesurées. L’estimation par un trapèze sur un intervalle est sa largeur multipliée par la moyenne des deux valeurs aux extrémités :
Pour des valeurs non négatives, il s’agit de l’aire d’un trapèze. Pour des valeurs signées, la même expression intègre l’interpolant affine en conservant le signe; elle estime une accumulation nette. Additionnez les contributions des intervalles. Si tous les intervalles ont la même largeur , on obtient
En mettant en facteur, les valeurs aux extrémités ont un coefficient 1 et les valeurs intérieures un coefficient 2. Chaque mesure intérieure appartient à deux trapèzes voisins. Si les largeurs diffèrent, utilisez séparément les ; une largeur commune serait incorrecte.
Exemple résolu : un débit mesuré
On mesure le débit d’une pompe toutes les deux minutes. Estimez le volume fourni pendant les huit minutes d’observation.
| Temps (min) | Débit (L/min) |
|---|---|
| 0 | 3 |
| 2 | 5 |
| 4 | 6 |
| 6 | 5 |
| 8 | 3 |
Cinq mesures donnent quatre intervalles de largeur minutes. Le premier trapèze contribue litres. Les quatre contributions sont 8, 11, 11 et 8 litres :
Les unités se multiplient : . On estime le volume fourni, et non un débit ni la quantité finale déjà présente dans un réservoir.
2. Comparer avec la méthode de Simpson composée
La méthode de Simpson 1/3 composée intègre un interpolant quadratique passant par chaque groupe de trois mesures consécutives. Chaque groupe couvre deux intervalles : il faut donc des mesures également espacées et un nombre pair d’intervalles. La condition ne porte pas sur un nombre pair de valeurs : quatre intervalles utilisent cinq valeurs.
Attribuez un coefficient 1 aux extrémités, 4 aux valeurs intérieures d’indice impair et 2 aux valeurs intérieures d’indice pair, puis multipliez par . L’indice commence à 0. Par exemple, avec quatre intervalles,
La suite générale des coefficients est . Pour seulement deux intervalles, elle est . Au point commun de deux morceaux quadratiques, les deux contributions donnent un coefficient 2.
Le tableau de la pompe a un espacement constant et quatre intervalles; la méthode de Simpson est donc applicable :
Les estimations diffèrent de litre. Cette différence n’est pas une borne d’erreur garantie. Le tableau seul ne donne ni le volume réel, ni la courbure entre les mesures, ni leur incertitude. Simpson utilise un autre interpolant; cette méthode n’est pas automatiquement plus précise pour tout tableau de mesures.
3. Justifier une affirmation sur la précision
- Trapèzes et courbure : si sur tout l’intervalle, la fonction est convexe et chaque corde se trouve sur sa courbe ou au-dessus. Ainsi, . Si partout, l’inégalité est inversée. Le simple fait de croître ou de décroître ne détermine pas le sens de l’erreur. Les mesures seules n’établissent pas la courbure entre elles.
- Exactitude : les trapèzes intègrent exactement toute fonction affine. La méthode de Simpson intègre exactement tout polynôme de degré au plus trois sur une grille admissible, y compris un polynôme cubique. Elle n’est pas exacte pour toute fonction lisse.
- Les bornes exigent des hypothèses : supposons que est continue sur et que sur cet intervalle. Si , alors
Si plutôt , la quatrième dérivée, est continue et que sur tout l’intervalle, la méthode de Simpson composée, sur une grille également espacée avec pair, satisfait
Sous ces hypothèses, diviser par deux divise les bornes respectives par 4 et par 16. Cela ne divise pas nécessairement les erreurs réelles par ces facteurs exacts. Les bornes décrivent l’erreur de quadrature pour des valeurs exactes de la fonction; les arrondis et l’incertitude des mesures demandent une analyse distincte. La concavité seule ne détermine pas le sens de l’erreur de Simpson.
4. Quatre exercices progressifs
Essayez un exercice à la fois. Ouvrez un indice ou une réponse détaillée quand cela vous aide.
1. Compter les intervalles et conserver les unités
Une petite pompe a des débits de 2, 4 et 3 L/min aux instants 0, 1 et 2 minutes. Estimez le volume fourni par la méthode des trapèzes. Expliquez pourquoi additionner les trois débits ne suffit pas.
Indice
Trois mesures donnent deux intervalles. Multipliez chaque débit moyen par une minute.
Réponse détaillée
Les deux largeurs valent minute. Les contributions sont litres et litres. De manière équivalente,
L’estimation est de 6,5 litres. Une somme de débits a encore des unités L/min; une somme sans coefficients traite aussi incorrectement la mesure intérieure partagée. Intégrer un débit exige les largeurs des intervalles de temps.
2. Comparer les deux méthodes à une valeur exacte
Estimez avec , par les trapèzes et par Simpson. Calculez ensuite l’intégrale exactement et expliquez les erreurs.
Indice
Utilisez . Les cinq valeurs de la fonction sont .
Réponse détaillée
La somme intérieure pour les trapèzes vaut ; la somme des indices impairs pour Simpson vaut . Ainsi,
La valeur exacte est
La surestimation par les trapèzes vaut , ce qui concorde avec sur . Simpson est exacte ici parce que la fonction est cubique et que la grille respecte les deux conditions. Aucune unité physique n’est donnée pour ces coordonnées : il n’y a donc pas lieu d’exprimer la réponse en litres.
3. Corriger deux applications invalides de Simpson
Dans le tableau A, les instants sont 0, 1 et 3 minutes, avec des débits de 2, 4 et 5 L/min. Dans le tableau B, les instants sont 0, 1, 2 et 3 minutes, avec des débits de 2, 3, 6 et 11 L/min. Un étudiant applique Simpson 1/3 composée à chaque tableau entier. Identifiez le problème dans chaque cas, puis utilisez les trapèzes sur toute la durée observée.
Indice
Vérifiez séparément l’espacement et le nombre d’intervalles. Ne supprimez pas une mesure et ne réduisez pas la durée pour imposer une formule.
Réponse détaillée
Le tableau A a deux intervalles, mais leurs largeurs sont 1 et 2 minutes : les mesures ne sont pas également espacées. Utilisez la largeur propre à chaque intervalle :
Le tableau B est également espacé, mais ses quatre mesures donnent trois intervalles, un nombre impair. La méthode standard de Simpson 1/3 composée ne s’applique donc pas au tableau entier. Les trapèzes restent valides :
L’estimation est de 15,5 litres. Ne garder que les trois premières mesures omettrait la dernière minute et estimerait une autre intégrale. Prendre davantage de mesures ou justifier une méthode mixte serait une autre démarche; les estimations ci-dessus utilisent tous les intervalles fournis.
4. Choisir une grille à partir d’une erreur cible
Pour , trouvez des valeurs suffisantes de garantissant une erreur de quadrature d’au plus avec chaque méthode. Vous pouvez utiliser . Calculez ensuite l’estimation de Simpson avec votre grille et comparez-la à l’intégrale exacte. Supposez les valeurs de la fonction exactes; n’arrondissez que le résultat final présenté.
Indice
Les deuxième et quatrième dérivées sont toutes deux sur . Utilisez donc , , et rappelez-vous que doit être pair pour Simpson.
Réponse détaillée
L’exponentielle est lisse, donc les hypothèses sur les dérivées sont satisfaites. Les bornes deviennent
Pour les trapèzes, donne . Pour Simpson, donne , tandis que donne . Ainsi, 50 intervalles pour les trapèzes et 4 pour Simpson suffisent. Ce sont les plus petits nombres admissibles certifiés par ces bornes choisies; cela ne signifie pas qu’aucun nombre plus petit ne fonctionnerait en pratique.
L’intégrale exacte est . Avec les valeurs non arrondies, l’erreur absolue vaut environ , sous la borne . La comparaison à une valeur exacte vérifie cet exemple; c’est la borne fondée sur les dérivées qui certifiait la grille avant cette comparaison.
Avant de remettre une estimation
Précisez l’intervalle, comptez les intervalles plutôt que les mesures, vérifiez l’espacement, montrez les coefficients et la largeur, conservez les unités et utilisez un signe d’approximation pour l’intégrale inconnue. Si vous affirmez une surestimation ou une précision garantie, indiquez la courbure ou la borne sur une dérivée qui la justifie.
Contexte de cours : la description officielle d’AEMA 102 à McGill comprend explicitement les approximations par les trapèzes et par Simpson. La page liée indique l’hiver 2027; elle ne définit pas la matière d’un examen d’automne 2026. Pour tout cours, consultez le plan actuel de votre enseignant pour savoir si ce complément est au programme. Ces exemples et exercices sont des créations originales de Nablio.
Pour les bornes d’erreur standard et des explications supplémentaires, consultez OpenStax Calculus Volume 2, section 3.6. Revenez aux exercices d’intégration exacte si votre prochaine question demande une primitive.
Identités ou substitution trigonométrique?
Une identité trigonométrique réécrit une expression dans la même variable. Une substitution trigonométrique introduit un nouvel angle et transforme la différentielle. Les deux démarches peuvent se combiner : une substitution destinée à un radical peut laisser une puissance trigonométrique qui exige encore une identité. Faites cet atelier après la section sur les radicaux et les signes ci-dessus; il ajoute des calculs complets plutôt qu’une autre liste de substitutions. Tous les angles sont en radians.
- Vous avez déjà un produit de puissances de sinus et de cosinus? Examinez les puissances impaires et les identités d’angle double.
- Vous avez un radical quadratique sans facteur dérivé commode? Examinez la substitution, l’intervalle angulaire et la différentielle.
- Le facteur dérivé nécessaire est présent? Essayez d’abord une substitution ordinaire.
Exemple résolu A : des identités, sans nouvel angle
Trouvez . Les deux puissances sont paires : isoler un facteur sinus ou cosinus ne donne pas immédiatement une substitution polynomiale. Utilisons plutôt et :
Le facteur comprend la division supplémentaire par 4 lors de l’intégration de . Dérivons : . La réponse convient à tout réel . Nous avons changé l’expression, mais pas la variable ni la différentielle.
Exemple résolu B : substituer, puis employer une identité
Trouvez sur . Le choix demanderait un facteur , qui est absent. Posons
La dernière égalité vient de l’intervalle angulaire choisi, et non d’une règle universelle sur les racines. Remplaçons aussi la différentielle :
Revenons maintenant à dans tous les termes. On a , et , donc
Pour vérifier directement, posons . Alors , et
Le calcul de la primitive utilise l’intervalle ouvert. L’expression obtenue se prolonge continûment en , ce qui permet l’évaluation aux extrémités dans une intégrale définie de cet intégrande continu.
Quatre exercices de choix de méthode
Avant de calculer, nommez la première étape utile. Les quatre exercices passent d’une identité indiquée à une intégrale définie autonome. Utilisez un indice au besoin, puis vérifiez le raisonnement, la différentielle et le domaine.
1. Réduire une puissance paire
.
Indice
Utilisez . Conservez le facteur intérieur 3.
Réponse expliquée
, donc la réponse est , pour tout réel . Sa dérivée est . Aucun nouvel angle n’est nécessaire.
2. Isoler le facteur impair
.
Indice
Écrivez , puis posez .
Réponse expliquée
Comme , l’intégrale devient . Revenez à : . La dérivation donne . La réponse convient à tout réel .
3. Laisser le numérateur guider le choix
, .
Indice
Essayez la substitution ordinaire avant d’introduire un angle.
Réponse expliquée
Ici, , donc . La dérivation donne . Les extrémités sont exclues, car le dénominateur initial y est nul. Une substitution trigonométrique est possible, mais inutile.
4. Choisir, transformer les bornes et vérifier
.
Indice
Posez . Trouvez les nouvelles bornes avant d’utiliser l’identité d’angle double.
Réponse expliquée
Les bornes deviennent 0 et . Sur cet intervalle, , donc l’intégrale vaut
L’intégrande décroît de 2 à ; l’aire sur un intervalle de largeur 1 est donc strictement comprise entre et 2. Le résultat vaut environ 1,9132, ce qui respecte cet encadrement. Aucune constante arbitraire ne s’ajoute à une valeur définie.
Pour un prochain essai mixte, reprenez les exercices de choix de méthode déjà présents plus haut. Utilisez cette même leçon depuis MATH 205 à Concordia ou MATH 141 à McGill; le lien ne signifie pas que tous ces thèmes figurent à votre prochaine évaluation. Vérifiez les chapitres assignés. Pour le tutorat, apportez votre première substitution, la ligne où les variables ou les signes ne concordent plus et la date de votre évaluation. Les séances sont actuellement offertes en anglais.
Fractions partielles : facteurs répétés et quadratiques irréductibles
Utilisez cet atelier après le premier exemple de fractions partielles, aussi appelées éléments simples. Le but est de choisir chaque numérateur et chaque dénominateur avant de calculer les coefficients. Ces exercices sont originaux; ils ne proviennent pas d’un examen.
Construire la décomposition avant d’intégrer
- Comparer les degrés. Si le degré du numérateur est au moins celui du dénominateur, effectuez d’abord la division polynomiale. Décomposez seulement la fraction propre restante.
- Factoriser sur les réels. Pour un facteur linéaire répété, incluez toutes les puissances jusqu’à sa multiplicité. Pour un facteur quadratique irréductible, prévoyez un numérateur linéaire, même si un coefficient s’avère ensuite nul.
- Éliminer les dénominateurs et comparer les coefficients. Les valeurs qui annulent des facteurs sont utiles dans l’identité polynomiale obtenue. Elles restent interdites dans l’expression rationnelle de départ.
- Intégrer et vérifier. Recombinez les fractions ou dérivez le résultat. Précisez les intervalles de validité.
Par exemple, la forme complète pour un dénominateur contenant un facteur linéaire répété est
Pour le produit d’un facteur linéaire et d’un facteur quadratique irréductible, utilisez
Ces formes supposent que les fractions sont propres. Omettre une puissance inférieure ou remplacer le numérateur linéaire par une constante peut rendre les équations des coefficients impossibles.
Exemple résolu 1 : un facteur linéaire répété
Calculez , avec .
Utilisez la première forme. Après multiplication par le dénominateur complet, l’identité polynomiale est
Posez x = 0 pour obtenir A = 1, puis x = −1 pour obtenir C = 2. Le coefficient de x² donne A + B = 0, donc B = −1. Le coefficient de x confirme le résultat : 2A + B + C = 3. Les valeurs interdites ont servi uniquement dans l’identité polynomiale.
Intégrez terme par terme. Le dénominateur au carré demande la règle des puissances, et non un autre logarithme :
Vérification : la dérivée du dernier terme est positive : . La réponse est valable séparément sur chaque intervalle délimité par −1 et 0; la constante K peut varier d’un intervalle à l’autre.
Exemple résolu 2 : un facteur quadratique exige deux coefficients
Calculez , avec .
Le polynôme x² + 1 n’a aucune racine réelle. L’élimination des dénominateurs donne
Comparez les puissances de x : A + B = 2, B + C = 3 et A + C = 3. Ainsi A = 1, B = 1 et C = 2.
Séparez le dernier numérateur en un terme proportionnel à la dérivée du dénominateur et un terme donnant une arctangente :
La réponse complète est
Vérification : la dérivation donne , soit exactement la décomposition. La valeur absolue n’est pas nécessaire autour de x² + 1, qui est toujours positif. Conservez-la autour de x + 1.
Quatre exercices progressifs
1. Corriger une forme incomplète
Une étudiante propose . Repérez le terme manquant et expliquez pourquoi cette forme ne peut pas fonctionner.
Indice
Éliminez le dénominateur, puis comparez le coefficient de x² et le terme constant.
Solution expliquée
Il manque . La proposition incomplète donne . Le coefficient de x² impose A = 0, alors que le terme constant impose 4A = 1 : contradiction. La forme complète est . Les valeurs 0 et 2 restent exclues.
2. Intégrer avec un facteur répété
Trouvez . Précisez les valeurs interdites.
Indice
Utilisez trois termes, puis posez x = 0 et x = −1 dans l’identité sans dénominateurs.
Solution expliquée
À partir de , obtenez A = 1, C = −1 et B = −1. L’intégrande est donc . Sa primitive est , sur les intervalles ne contenant ni −1 ni 0. Dérivez le terme positif en 1/(x + 1) : il redonne le terme négatif au dénominateur carré.
3. Un coefficient peut devenir nul
Trouvez . Commencez par un numérateur linéaire général au-dessus du facteur quadratique.
Indice
Utilisez A/x + (Bx + C)/(x² + 1), puis comparez les trois coefficients.
Solution expliquée
L’identité est . Ainsi A = 2, B = −1 et C = 0. La primitive est , valable pour x ≠ 0. Le coefficient de l’arctangente devient nul après le calcul; l’omettre à l’avance n’est pas une méthode générale.
4. Diviser, puis choisir la méthode la plus simple
Calculez . Expliquez si les fractions partielles sont nécessaires après la division.
Indice
Multipliez x² + 1 par x + 1 et examinez le reste.
Solution expliquée
La division polynomiale donne . Le dernier numérateur est la moitié de la dérivée du dénominateur : une substitution suffit. La réponse est , valable pour tout réel x. En dérivant puis en réduisant au dénominateur x² + 1, on retrouve le numérateur initial.
Choisissez la suite : si la forme était incorrecte, reprenez l’exercice 1; si les coefficients étaient justes mais la primitive était fausse, comparez le logarithme et le terme en 1/(x + 1) de l’exemple 1. Revenez ensuite aux exercices variés de choix de méthode, sans indices.
Le plan officiel de MATH 205 à Concordia, automne 2026 place les fractions partielles à la semaine 6, comprise dans les semaines 1 à 6 annoncées pour l’intra. Cet atelier porte sur une technique, pas sur l’ensemble de l’examen. Pour un cours à McGill ou au cégep, utilisez-le si l’intégration des fonctions rationnelles figure dans votre plan actuel; suivez la matière annoncée par votre enseignant.
Réutiliser ce raisonnement dans la prochaine intégrale
Avant de calculer, demandez-vous ce que votre première étape accomplit. La substitution devrait réorganiser une composition; l’intégration par parties devrait laisser une intégrale plus facile à traiter; les fractions partielles devraient faire apparaître des termes rationnels plus simples. Une simplification peut rendre ces techniques inutiles.
Ensuite, expliquez pourquoi la méthode a aidé et vérifiez la réponse par dérivation. Cette habitude s’applique à de nouveaux problèmes plus facilement que le simple souvenir de la formule utilisée dans un exemple.
Pour approfondir
Les explications et les figures de cette leçon sont originales. Pour les résultats usuels, d’autres exemples et des exercices supplémentaires, consultez Calculus Volume 2, de Gilbert Strang et Edwin Herman, publié par OpenStax. Les sections suivantes sont en anglais :
- Section 1.5 : substitution
- Section 3.1 : intégration par parties
- Section 3.4 : fractions partielles
- Section 3.5 : autres stratégies d’intégration
- Section 3.6 : intégration numérique
- Section 3.7 : intégrales impropres
Travailler vos propres exemples
Apportez quelques intégrales que vous ne savez pas comment commencer. Vous étudiez le calcul intégral au cégep? Consultez le tutorat en calcul au cégep pour trouver la page de votre cours au collège, puis transmettez votre plan de cours avec votre demande d’aide.
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