mathématiques MPSI · Chapitre 4 · Exercice de TD
Le changement de variable
Calcul différentiel et intégral · E. Calcul de primitives et d'intégrales · niveau 3 (difficile)
Énoncé
a) Soit continue sur . Montrer que .
b) En déduire que pour continue sur , puis que, pour tout ,
c) Montrer que pour continue sur , . En déduire .
d) Calculer .
Corrigé
La stratégie : un changement de variable qui laisse l'intervalle invariant. L'application est la symétrie de par rapport à son milieu : elle échange les bornes. Quand l'intégrande a une symétrie compatible, l'intégrale est égale à sa transformée, et l'on additionne les deux écritures : ce qui gêne disparaît. Ce qu'on a le droit d'utiliser : le théorème de changement de variable, , et la règle .
a) La symétrie. Posons , de classe , , , . Le théorème donne et en simplifiant les deux signes moins, . (En pratique : on pose , , et les bornes s'échangent — le signe du et l'échange des bornes se compensent.)
b) Sinus et cosinus. Sur , et . Le a), appliqué à la fonction continue , donne Pour : le dénominateur ne s'annule pas sur (les deux termes sont positifs et ne sont jamais nuls simultanément, car ), l'intégrande est continu. Le changement échange et dans l'intégrande : Or . Donc et sans qu'on ait calculé aucune primitive — et il n'y en a d'ailleurs pas d'expression simple pour quelconque.
Le point délicat. L'égalité n'est pas « par symétrie » au sens vague : c'est le changement de variable du a), qui exige que la fonction transformée soit bien celle qu'on croit — ici, on a vérifié que et s'échangent et que l'intervalle est invariant. Et l'astuce n'est pas seule, c'est jointe à facile.
c) Le facteur . Sur , et . Le a), appliqué à , donne En faisant passer la dernière intégrale à gauche, , ce qui est la formule annoncée : le facteur se remplace par sa valeur moyenne .
Application. Avec — de sorte que , fonction continue de — Cette dernière intégrale se calcule par le changement de variable , , les bornes et devenant et : Donc Contrôle de plausibilité. L'intégrande est positif sur , majoré par dont l'intégrale vaut (par parties, c'est l'exemple du cours) ; .
d) Le logarithme de . L'intégrande est continu sur , où . Appliquons le a) avec . Par la formule de soustraction de la tangente, , donc En notant l'intégrale cherchée, le a) donne Contrôle. ; l'intégrande croît de à sur un intervalle de longueur , et la valeur moyenne obtenue, , est bien entre et .
Ce que l'exercice installe. Le changement de variable ne calcule pas l'intégrale : il en donne une seconde écriture, et c'est la somme des deux qui se simplifie — le facteur devient , une fraction en et devient , un logarithme devient une constante. On retiendra le réflexe : quand une primitive semble inaccessible, chercher une symétrie de l'intervalle que l'intégrande respecte. On le retrouvera au chapitre de l'intégration, avec les fonctions paires, impaires et périodiques.
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