Chapitres de Terminale

Calcul intégral

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Calculer les intégrales suivantes :

    1. ∫02(3x2−2x) dx\displaystyle\int_{0}^{2}(3x^2 - 2x)\,\mathrm{d}x ;
    2. ∫1e1x dx\displaystyle\int_{1}^{\mathrm{e}}\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x ;
    3. ∫0πsin⁡(x) dx\displaystyle\int_{0}^{\pi}\sin(x)\,\mathrm{d}x.
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    On détermine une primitive FF de la fonction, puis on calcule F(b)−F(a)F(b) - F(a). Une primitive de 1x\frac{1}{x} est ln⁡(x)\ln(x).

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    1. Une primitive de 3x2−2x3x^2 - 2x est x3−x2x^3 - x^2. Donc
    ∫02(3x2−2x) dx=[x3−x2]02=(8−4)−0=4.\int_{0}^{2}(3x^2-2x)\,\mathrm{d}x = \big[x^3 - x^2\big]_0^2 = (8 - 4) - 0 = 4.
    1. Une primitive de 1x\frac{1}{x} est ln⁡(x)\ln(x). Donc
    ∫1e1x dx=[ln⁡(x)]1e=ln⁡(e)−ln⁡(1)=1−0=1.\int_{1}^{\mathrm{e}}\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \big[\ln(x)\big]_1^{\mathrm{e}} = \ln(\mathrm{e}) - \ln(1) = 1 - 0 = 1.
    1. Une primitive de sin⁡(x)\sin(x) est −cos⁡(x)-\cos(x). Donc
    ∫0πsin⁡(x) dx=[−cos⁡(x)]0π=−cos⁡(π)−(−cos⁡(0))=−(−1)+1=2.\int_{0}^{\pi}\sin(x)\,\mathrm{d}x = \big[-\cos(x)\big]_0^{\pi} = -\cos(\pi) - (-\cos(0)) = -(-1) + 1 = 2.
  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Soit ff la fonction définie sur [0 ; 3][0\,;\,3] par f(x)=x+1f(x) = x + 1.

    1. Interpréter ∫03f(x) dx\displaystyle\int_{0}^{3}f(x)\,\mathrm{d}x comme une aire.
    2. Calculer cette aire de deux façons : par une primitive, puis en utilisant l'aire d'un trapèze.
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    Le domaine sous la courbe de ff (positive ici) entre x=0x=0 et x=3x=3 est un trapèze de hauteur 33, de bases f(0)=1f(0)=1 et f(3)=4f(3)=4.

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    1. Comme f(x)=x+1≥0f(x) = x+1 \geq 0 sur [0 ; 3][0\,;\,3], l'intégrale ∫03f(x) dx\int_0^3 f(x)\,\mathrm{d}x est l'aire (en unités d'aire) du domaine compris entre la courbe de ff, l'axe des abscisses et les droites x=0x=0 et x=3x=3.

    2. Par une primitive : une primitive de x+1x+1 est x22+x\frac{x^2}{2} + x. Donc

    ∫03(x+1) dx=[x22+x]03=(92+3)−0=152=7,5.\int_0^3 (x+1)\,\mathrm{d}x = \left[\frac{x^2}{2} + x\right]_0^3 = \left(\frac{9}{2} + 3\right) - 0 = \frac{15}{2} = 7{,}5.

    Par le trapèze : bases f(0)=1f(0) = 1 et f(3)=4f(3) = 4, hauteur 33. Aire =(1+4)2×3=152=7,5= \dfrac{(1+4)}{2}\times 3 = \dfrac{15}{2} = 7{,}5. Les deux méthodes concordent.

  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    En utilisant la linéarité et la relation de Chasles, calculer :

    1. ∫01(2ex+3x2) dx\displaystyle\int_{0}^{1}\big(2\mathrm{e}^x + 3x^2\big)\,\mathrm{d}x ;
    2. ∫02f(x) dx\displaystyle\int_{0}^{2}f(x)\,\mathrm{d}x sachant que ∫01f(x) dx=5\displaystyle\int_{0}^{1}f(x)\,\mathrm{d}x = 5 et ∫12f(x) dx=−2\displaystyle\int_{1}^{2}f(x)\,\mathrm{d}x = -2.
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    La linéarité permet de séparer l'intégrale en somme et de sortir les constantes. La relation de Chasles donne ∫02=∫01+∫12\int_0^2 = \int_0^1 + \int_1^2.

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    1. Par linéarité :
    ∫01(2ex+3x2) dx=2∫01ex dx+3∫01x2 dx=2[ex]01+3[x33]01.\int_0^1 \big(2\mathrm{e}^x + 3x^2\big)\,\mathrm{d}x = 2\int_0^1\mathrm{e}^x\,\mathrm{d}x + 3\int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x = 2\big[\mathrm{e}^x\big]_0^1 + 3\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^1.

    Cela donne 2(e−1)+3×13=2e−2+1=2e−12(\mathrm{e} - 1) + 3\times\frac{1}{3} = 2\mathrm{e} - 2 + 1 = 2\mathrm{e} - 1.

    1. Par la relation de Chasles :
    ∫02f(x) dx=∫01f(x) dx+∫12f(x) dx=5+(−2)=3.\int_0^2 f(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x + \int_1^2 f(x)\,\mathrm{d}x = 5 + (-2) = 3.
  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    Déterminer la valeur moyenne de la fonction f(x)=x2f(x) = x^2 sur l'intervalle [0 ; 3][0\,;\,3].

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    La valeur moyenne de ff sur [a ; b][a\,;\,b] est μ=1b−a∫abf(x) dx\mu = \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x.

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    La valeur moyenne est

    μ=13−0∫03x2 dx=13[x33]03=13×273=13×9=3.\mu = \frac{1}{3-0}\int_0^3 x^2\,\mathrm{d}x = \frac{1}{3}\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^3 = \frac{1}{3}\times\frac{27}{3} = \frac{1}{3}\times 9 = 3.

    La valeur moyenne de ff sur [0 ; 3][0\,;\,3] est donc μ=3\mu = 3.

  5. 5

    Aire entre deux courbes

    Moyen

    On considère les fonctions f(x)=x2f(x) = x^2 et g(x)=xg(x) = x sur l'intervalle [0 ; 1][0\,;\,1].

    1. Étudier le signe de g(x)−f(x)g(x) - f(x) sur [0 ; 1][0\,;\,1].
    2. En déduire l'aire A\mathcal{A}, en unités d'aire, du domaine compris entre les deux courbes sur [0 ; 1][0\,;\,1].
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    L'aire entre deux courbes est ∫ab(courbe du haut−courbe du bas) dx\int_a^b \big(\text{courbe du haut} - \text{courbe du bas}\big)\,\mathrm{d}x. Ici g(x)−f(x)=x−x2=x(1−x)g(x)-f(x) = x - x^2 = x(1-x).

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  6. 6

    Intégration par parties

    Moyen

    À l'aide d'une intégration par parties, calculer

    I=∫1exln⁡(x) dx.I = \int_{1}^{\mathrm{e}} x\ln(x)\,\mathrm{d}x.
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    Poser u(x)=ln⁡(x)u(x) = \ln(x) et v′(x)=xv'(x) = x, donc u′(x)=1xu'(x) = \frac{1}{x} et v(x)=x22v(x) = \frac{x^2}{2}. Utiliser ∫abuv′=[uv]ab−∫abu′v\int_a^b uv' = [uv]_a^b - \int_a^b u'v.

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  7. 7

    Étude d'une fonction intégrale

    Moyen

    Soit FF la fonction définie sur [0 ; +∞[[0\,;\,+\infty[ par F(x)=∫0xtt2+1 dtF(x) = \displaystyle\int_{0}^{x}\frac{t}{t^2+1}\,\mathrm{d}t.

    1. Justifier que FF est dérivable et calculer F′(x)F'(x).
    2. En déduire le sens de variation de FF.
    3. Calculer F(x)F(x) explicitement, puis F(1)F(1).
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    La fonction t↦tt2+1t\mapsto\frac{t}{t^2+1} est continue ; sa primitive s'annulant en 00 est FF, donc F′(x)=xx2+1F'(x) = \frac{x}{x^2+1}. Reconnaître ensuite une forme u′u\frac{u'}{u} (à un facteur près).

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  8. 8

    Exercice 8

    Difficile

    Pour tout entier n≥0n\geq 0, on pose

    In=∫01xn ex dx.I_n = \int_{0}^{1} x^n\,\mathrm{e}^{x}\,\mathrm{d}x.
    1. Calculer I0I_0.
    2. À l'aide d'une intégration par parties, établir la relation de récurrence In=e−n In−1I_n = \mathrm{e} - n\,I_{n-1} pour n≥1n\geq 1.
    3. En déduire I1I_1 et I2I_2.
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  9. 9

    Exercice 9

    Difficile

    On veut encadrer la somme harmonique Hn=∑k=1n1kH_n = \displaystyle\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k} à l'aide d'intégrales.

    1. Justifier que pour tout entier k≥1k\geq 1 et tout x∈[k ; k+1]x\in[k\,;\,k+1], on a 1k+1≤1x≤1k\dfrac{1}{k+1}\leq\dfrac{1}{x}\leq\dfrac{1}{k}.
    2. En intégrant sur [k ; k+1][k\,;\,k+1], montrer que 1k+1≤∫kk+11x dx≤1k\dfrac{1}{k+1}\leq\displaystyle\int_{k}^{k+1}\frac{1}{x}\,\mathrm{d}x\leq\frac{1}{k}.
    3. En sommant pour kk de 11 à nn, en déduire l'encadrement ln⁡(n+1)≤Hn≤1+ln⁡(n).\ln(n+1)\leq H_n \leq 1 + \ln(n).
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