درس Calcul intégral — الثانية باك علوم فيزيائية

درس «Calcul intégral» لتلاميذ الثانية باك علوم فيزيائية بالفرنسية والعربية: Intégrale d’une fonction continue - Propriétés - Valeur moyenne - Intégration par parties - Calcul d’aires - Calcul de volumes. Cours Calcul intégral — 2ème année Bac sciences physiques.

📖 حل فـ MathsClick (الورقة بخط اليد، بالعربية والفرنسية)

Intégrale d’une fonction continue sur un segment

Définition

Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$, $F$ une primitive de $f$ sur $I$, et $a,b\in I$. L’intégrale de $f$ de $a$ à $b$ est le réel :

$\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=\left[F(x)\right]_a^b=F(b)-F(a)$

>> Ce nombre ne dépend pas de la primitive choisie ; $x$ est une variable muette : $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=\int_a^bf(t)\,dt$.

Propriété

  • $\displaystyle\int_a^af(x)\,dx=0$ et $\displaystyle\int_b^af(x)\,dx=-\int_a^bf(x)\,dx$.
  • La fonction $x\mapsto\displaystyle\int_a^xf(t)\,dt$ est la primitive de $f$ sur $I$ qui s’annule en $a$.

Exemple

$\displaystyle\int_0^1\left(3x^2+2x\right)dx=\left[x^3+x^2\right]_0^1=2$

$\displaystyle\int_1^e\dfrac{1}{x}\,dx=\left[\ln x\right]_1^e=1$

$\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos x\,dx=\left[\sin x\right]_0^{\frac{\pi}{2}}=1$

Propriétés de l’intégrale

Propriété $f$ et $g$ continues sur $I$ ; $a,b,c\in I$ ; $\lambda\in\mathbb{R}$

  • Relation de Chasles : $\displaystyle\int_a^cf(x)\,dx=\int_a^bf(x)\,dx+\int_b^cf(x)\,dx$.
  • Linéarité : $\displaystyle\int_a^b(f+\lambda g)(x)\,dx=\int_a^bf(x)\,dx+\lambda\int_a^bg(x)\,dx$.

Propriété Ordre et intégrale ($a\leq b$)

  • Positivité : si $f\geq0$ sur $[a;b]$, alors $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\geq0$.
  • Comparaison : si $f\leq g$ sur $[a;b]$, alors $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\leq\int_a^bg(x)\,dx$.
  • $\left|\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\right|\leq\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx$

Définition Valeur moyenne

Pour $a<b$, la valeur moyenne de $f$ sur $[a;b]$ est le réel :

$\mu=\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx$

Si $m\leq f\leq M$ sur $[a;b]$, alors $m(b-a)\leq\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\leq M(b-a)$.

Exemple

Valeur moyenne de $x\mapsto x^2$ sur $[0;3]$ : $\mu=\dfrac{1}{3}\left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^3=\dfrac{1}{3}\times9=3$.

Encadrement : pour $x\in[0;1]$, $0\leq\dfrac{x^2}{1+x}\leq x^2$, donc $0\leq\displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{1+x}\,dx\leq\dfrac{1}{3}$.

Intégration par parties

Propriété

Si $u$ et $v$ sont dérivables sur $I$, avec $u'$ et $v'$ continues sur $I$, alors pour $a,b\in I$ :

$\displaystyle\int_a^bu(x)v'(x)\,dx=\left[u(x)v(x)\right]_a^b-\int_a^bu'(x)v(x)\,dx$

Méthode Choisir $u$ et $v'$

  • On choisit pour $u$ la fonction qui se simplifie en dérivant (polynôme, $\ln x$) ;
  • et pour $v'$ une fonction dont on connaît une primitive ($e^x$, $\cos x$, $\sin x$, $1$).

Exemple

$I=\displaystyle\int_0^1xe^x\,dx$ : $u(x)=x$, $v'(x)=e^x$ ; $u'(x)=1$, $v(x)=e^x$.

$I=\left[xe^x\right]_0^1-\displaystyle\int_0^1e^x\,dx=e-\left[e^x\right]_0^1=e-(e-1)$

$I=1$

$J=\displaystyle\int_1^e\ln x\,dx$ : $u(x)=\ln x$, $v'(x)=1$ ; $u'(x)=\dfrac{1}{x}$, $v(x)=x$.

$J=\left[x\ln x\right]_1^e-\displaystyle\int_1^e1\,dx=e-(e-1)$

$J=1$

Calcul d’aires

Propriété

Le plan est rapporté à un repère orthogonal ; l’unité d’aire est $1\ u.a=\|\vec{i}\|\times\|\vec{j}\|$.

  • L’aire du domaine limité par $C_f$, l’axe des abscisses et les droites $x=a$, $x=b$ ($a<b$) est :

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx\ u.a$

  • L’aire du domaine limité par $C_f$, $C_g$ et les droites $x=a$, $x=b$ est $\displaystyle\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx\ u.a$.

>> Pour enlever la valeur absolue, on étudie le signe de $f$ (ou de $f-g$) et on découpe avec Chasles.

Exemple Aire entre deux courbes

Entre $y=x$ et $y=x^2$ sur $[0;1]$ : $x-x^2=x(1-x)\geq0$.

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_0^1\left(x-x^2\right)dx=\left[\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^3}{3}\right]_0^1$

$\mathcal{A}=\dfrac{1}{6}\ u.a$

Exemple Fonction qui change de signe

$f(x)=x^2-1$ sur $[0;2]$ : $f\leq0$ sur $[0;1]$ et $f\geq0$ sur $[1;2]$.

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_0^1\left(1-x^2\right)dx+\int_1^2\left(x^2-1\right)dx=\dfrac{2}{3}+\dfrac{4}{3}$

$\mathcal{A}=2\ u.a$

Calcul de volumes

Propriété Solide de révolution

Dans un repère orthonormé, le volume du solide engendré par la rotation de $C_f$ ($x\in[a;b]$) autour de l’axe des abscisses est :

$V=\displaystyle\int_a^b\pi\left(f(x)\right)^2dx\ u.v$

Exemple

$f(x)=\sqrt{x}$ sur $[0;1]$ : $V=\displaystyle\int_0^1\pi x\,dx=\pi\left[\dfrac{x^2}{2}\right]_0^1$.

$V=\dfrac{\pi}{2}\ u.v$

Cône : $f(x)=\dfrac{R}{h}x$ sur $[0;h]$ : $V=\pi\dfrac{R^2}{h^2}\left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^h=\dfrac{1}{3}\pi R^2h$ (formule connue).

Erreur fréquente

  • Calculer une aire par $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx$ quand $f$ change de signe : on obtient une valeur fausse ; il faut $|f|$.
  • Oublier le $-$ devant $\displaystyle\int_a^bu'(x)v(x)\,dx$ dans l’intégration par parties.
  • Oublier de convertir en $cm^2$ quand l’unité graphique est donnée.

À retenir

  • $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=F(b)-F(a)$ ; Chasles ; linéarité ; $f\leq g\Rightarrow\displaystyle\int_a^bf\leq\int_a^bg$ ; $\mu=\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^bf$.
  • $\displaystyle\int_a^buv'=\left[uv\right]_a^b-\int_a^bu'v$ ; $\mathcal{A}=\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx\ u.a$ ; $V=\displaystyle\int_a^b\pi f^2(x)\,dx\ u.v$.

النسخة العربية

تكامل دالة متصلة على قطعة

تعريف

لتكن $f$ دالة متصلة على مجال $I$، و $F$ دالة أصلية لـ $f$ على $I$، و $a,b\in I$. تكامل $f$ من $a$ إلى $b$ هو العدد الحقيقي :

$\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=\left[F(x)\right]_a^b=F(b)-F(a)$

>> هذا العدد لا يتعلق بالدالة الأصلية المختارة ؛ و $x$ متغير صامت : $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=\int_a^bf(t)\,dt$.

خاصية

  • $\displaystyle\int_a^af(x)\,dx=0$ و $\displaystyle\int_b^af(x)\,dx=-\int_a^bf(x)\,dx$.
  • الدالة $x\mapsto\displaystyle\int_a^xf(t)\,dt$ هي الدالة الأصلية لـ $f$ على $I$ التي تنعدم في $a$.

مثال

$\displaystyle\int_0^1\left(3x^2+2x\right)dx=\left[x^3+x^2\right]_0^1=2$

$\displaystyle\int_1^e\dfrac{1}{x}\,dx=\left[\ln x\right]_1^e=1$

$\displaystyle\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos x\,dx=\left[\sin x\right]_0^{\frac{\pi}{2}}=1$

خاصيات التكامل

خاصية $f$ و $g$ متصلتان على $I$ ؛ $a,b,c\in I$ ؛ $\lambda\in\mathbb{R}$

  • علاقة شال : $\displaystyle\int_a^cf(x)\,dx=\int_a^bf(x)\,dx+\int_b^cf(x)\,dx$.
  • الخطانية : $\displaystyle\int_a^b(f+\lambda g)(x)\,dx=\int_a^bf(x)\,dx+\lambda\int_a^bg(x)\,dx$.

خاصية الترتيب والتكامل ($a\leq b$)

  • الموجبية : إذا كانت $f\geq0$ على $[a;b]$، فإن $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\geq0$.
  • المقارنة : إذا كانت $f\leq g$ على $[a;b]$، فإن $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\leq\int_a^bg(x)\,dx$.
  • $\left|\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\right|\leq\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx$

تعريف القيمة المتوسطة

من أجل $a<b$، القيمة المتوسطة للدالة $f$ على $[a;b]$ هي العدد الحقيقي :

$\mu=\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx$

إذا كانت $m\leq f\leq M$ على $[a;b]$، فإن $m(b-a)\leq\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx\leq M(b-a)$.

مثال

القيمة المتوسطة للدالة $x\mapsto x^2$ على $[0;3]$ : $\mu=\dfrac{1}{3}\left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^3=\dfrac{1}{3}\times9=3$.

تأطير : من أجل $x\in[0;1]$، $0\leq\dfrac{x^2}{1+x}\leq x^2$، إذن $0\leq\displaystyle\int_0^1\dfrac{x^2}{1+x}\,dx\leq\dfrac{1}{3}$.

المكاملة بالأجزاء

خاصية

إذا كانت $u$ و $v$ قابلتين للاشتقاق على $I$، و $u'$ و $v'$ متصلتين على $I$، فإنه من أجل $a,b\in I$ :

$\displaystyle\int_a^bu(x)v'(x)\,dx=\left[u(x)v(x)\right]_a^b-\int_a^bu'(x)v(x)\,dx$

طريقة اختيار $u$ و $v'$

  • نختار لـ $u$ الدالة التي تبسط بالاشتقاق (حدودية، $\ln x$) ؛
  • ولـ $v'$ دالة نعرف دالة أصلية لها ($e^x$، $\cos x$، $\sin x$، $1$).

مثال

$I=\displaystyle\int_0^1xe^x\,dx$ : $u(x)=x$ و $v'(x)=e^x$ ؛ $u'(x)=1$ و $v(x)=e^x$.

$I=\left[xe^x\right]_0^1-\displaystyle\int_0^1e^x\,dx=e-\left[e^x\right]_0^1=e-(e-1)$

$I=1$

$J=\displaystyle\int_1^e\ln x\,dx$ : $u(x)=\ln x$ و $v'(x)=1$ ؛ $u'(x)=\dfrac{1}{x}$ و $v(x)=x$.

$J=\left[x\ln x\right]_1^e-\displaystyle\int_1^e1\,dx=e-(e-1)$

$J=1$

حساب المساحات

خاصية

المستوى منسوب إلى معلم متعامد ؛ وحدة المساحة هي $1\ u.a=\|\vec{i}\|\times\|\vec{j}\|$.

  • مساحة الحيز المحصور بين $C_f$ ومحور الأفاصيل والمستقيمين $x=a$ و $x=b$ ($a<b$) هي :

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx\ u.a$

  • مساحة الحيز المحصور بين $C_f$ و $C_g$ والمستقيمين $x=a$ و $x=b$ هي $\displaystyle\int_a^b|f(x)-g(x)|\,dx\ u.a$.

>> لإزالة القيمة المطلقة، ندرس إشارة $f$ (أو $f-g$) ونجزئ باستعمال علاقة شال.

مثال المساحة بين منحنيين

بين $y=x$ و $y=x^2$ على $[0;1]$ : $x-x^2=x(1-x)\geq0$.

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_0^1\left(x-x^2\right)dx=\left[\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^3}{3}\right]_0^1$

$\mathcal{A}=\dfrac{1}{6}\ u.a$

مثال دالة تغير إشارتها

$f(x)=x^2-1$ على $[0;2]$ : $f\leq0$ على $[0;1]$ و $f\geq0$ على $[1;2]$.

$\mathcal{A}=\displaystyle\int_0^1\left(1-x^2\right)dx+\int_1^2\left(x^2-1\right)dx=\dfrac{2}{3}+\dfrac{4}{3}$

$\mathcal{A}=2\ u.a$

حساب الحجوم

خاصية مجسم دوراني

في معلم متعامد ممنظم، حجم المجسم الناتج عن دوران $C_f$ ($x\in[a;b]$) حول محور الأفاصيل هو :

$V=\displaystyle\int_a^b\pi\left(f(x)\right)^2dx\ u.v$

مثال

$f(x)=\sqrt{x}$ على $[0;1]$ : $V=\displaystyle\int_0^1\pi x\,dx=\pi\left[\dfrac{x^2}{2}\right]_0^1$.

$V=\dfrac{\pi}{2}\ u.v$

مخروط : $f(x)=\dfrac{R}{h}x$ على $[0;h]$ : $V=\pi\dfrac{R^2}{h^2}\left[\dfrac{x^3}{3}\right]_0^h=\dfrac{1}{3}\pi R^2h$ (الصيغة المعروفة).

خطأ شائع

  • حساب مساحة بـ $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx$ عندما تغير $f$ إشارتها : نحصل على قيمة خاطئة ؛ يجب $|f|$.
  • نسيان $-$ أمام $\displaystyle\int_a^bu'(x)v(x)\,dx$ في المكاملة بالأجزاء.
  • نسيان التحويل إلى $cm^2$ عندما تُعطى الوحدة المبيانية.

للحفظ

  • $\displaystyle\int_a^bf(x)\,dx=F(b)-F(a)$ ؛ شال ؛ الخطانية ؛ $f\leq g\Rightarrow\displaystyle\int_a^bf\leq\int_a^bg$ ؛ $\mu=\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^bf$.
  • $\displaystyle\int_a^buv'=\left[uv\right]_a^b-\int_a^bu'v$ ؛ $\mathcal{A}=\displaystyle\int_a^b|f(x)|\,dx\ u.a$ ؛ $V=\displaystyle\int_a^b\pi f^2(x)\,dx\ u.v$.

فنفس الدرس

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