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Facile15 exercices
Exercice 11

Calculer ∫x ex dx\displaystyle \int x\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

∫x ex dx\displaystyle\int x\,e^x\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=exV'=e^x, donc U′=1U'=1, V=exV=e^x.

∫x ex dx=x ex−∫ex⋅1 dx=x ex−ex+C=(x−1) ex+C.\int x\,e^x\,\mathrm{d} x=x\,e^x-\int e^x\cdot 1\,\mathrm{d} x=x\,e^x-e^x+C=\boxed{(x-1)\,e^x+C.}

Vérif. [(x−1)ex]′=ex+(x−1)ex=x ex\bigl[(x-1)e^x\bigr]'=e^x+(x-1)e^x=x\,e^x.

Exercice 22

Calculer ∫xcos⁡x dx\displaystyle \int x\cos x\,\mathrm{d} x.

∫xcos⁡x dx\displaystyle\int x\cos x\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=cos⁡xV'=\cos x, donc U′=1U'=1, V=sin⁡xV=\sin x.

∫xcos⁡x dx=xsin⁡x−∫sin⁡x⋅1 dx=xsin⁡x−(−cos⁡x)+C=xsin⁡x+cos⁡x+C.\int x\cos x\,\mathrm{d} x=x\sin x-\int \sin x\cdot 1\,\mathrm{d} x=x\sin x-(-\cos x)+C=\boxed{x\sin x+\cos x+C.}

Vérif. [xsin⁡x+cos⁡x]′=sin⁡x+xcos⁡x−sin⁡x=xcos⁡x\bigl[x\sin x+\cos x\bigr]'=\sin x+x\cos x-\sin x=x\cos x.

Exercice 33

Calculer ∫xsin⁡x dx\displaystyle \int x\sin x\,\mathrm{d} x.

∫xsin⁡x dx\displaystyle\int x\sin x\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=sin⁡xV'=\sin x, donc U′=1U'=1, V=−cos⁡xV=-\cos x.

∫xsin⁡x dx=x(−cos⁡x)−∫(−cos⁡x)⋅1 dx=−xcos⁡x+∫cos⁡x dx=−xcos⁡x+sin⁡x+C.\int x\sin x\,\mathrm{d} x=x(-\cos x)-\int(-\cos x)\cdot 1\,\mathrm{d} x=-x\cos x+\int\cos x\,\mathrm{d} x=\boxed{-x\cos x+\sin x+C.}

Vérif. [−xcos⁡x+sin⁡x]′=−cos⁡x+xsin⁡x+cos⁡x=xsin⁡x\bigl[-x\cos x+\sin x\bigr]'=-\cos x+x\sin x+\cos x=x\sin x.

Exercice 44

Calculer ∫x e−x dx\displaystyle \int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x.

∫x e−x dx\displaystyle\int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=e−xV'=e^{-x}, donc U′=1U'=1, V=−e−xV=-e^{-x}.

∫x e−x dx=x(−e−x)−∫(−e−x) dx=−x e−x+∫e−x dx=−x e−x−e−x+C=−(x+1) e−x+C.\int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=x(-e^{-x})-\int(-e^{-x})\,\mathrm{d} x=-x\,e^{-x}+\int e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x\,e^{-x}-e^{-x}+C=\boxed{-(x+1)\,e^{-x}+C.}

Vérif. [−(x+1)e−x]′=−e−x−(x+1)(−e−x)=−e−x+(x+1)e−x=x e−x\bigl[-(x+1)e^{-x}\bigr]'=-e^{-x}-(x+1)(-e^{-x})=-e^{-x}+(x+1)e^{-x}=x\,e^{-x}.

Exercice 55

Calculer ∫(x+2) ex dx\displaystyle \int (x+2)\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

∫(x+2) ex dx\displaystyle\int (x+2)\,e^{x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=x+2U=x+2, V′=exV'=e^x, donc U′=1U'=1, V=exV=e^x.

∫(x+2)ex dx=(x+2)ex−∫ex dx=(x+2)ex−ex+C=(x+1) ex+C.\int (x+2)e^x\,\mathrm{d} x=(x+2)e^x-\int e^x\,\mathrm{d} x=(x+2)e^x-e^x+C=\boxed{(x+1)\,e^{x}+C.}

Vérif. [(x+1)ex]′=ex+(x+1)ex=(x+2)ex\bigl[(x+1)e^x\bigr]'=e^x+(x+1)e^x=(x+2)e^x.

Exercice 66

Calculer ∫(2x−1) ex dx\displaystyle \int (2x-1)\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

∫(2x−1)ex dx\displaystyle\int (2x-1)e^{x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=2x−1U=2x-1, V′=exV'=e^{x}, donc U′=2U'=2, V=exV=e^{x}.

∫(2x−1)ex dx=(2x−1)ex−∫2ex dx=(2x−1)ex−2ex+C=(2x−3) ex+C.\int (2x-1)e^{x}\,\mathrm{d} x=(2x-1)e^{x}-\int 2e^{x}\,\mathrm{d} x=(2x-1)e^{x}-2e^{x}+C=\boxed{(2x-3)\,e^{x}+C.}

Vérif. [(2x−3)ex]′=2ex+(2x−3)ex=(2x−1)ex\bigl[(2x-3)e^{x}\bigr]'=2e^{x}+(2x-3)e^{x}=(2x-1)e^{x}.

Exercice 77

Calculer ∫(4−x) ex dx\displaystyle \int (4-x)\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

∫(4−x)ex dx\displaystyle\int (4-x)e^{x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=4−xU=4-x, V′=exV'=e^{x}, donc U′=−1U'=-1, V=exV=e^{x}.

∫(4−x)ex dx=(4−x)ex−∫(−1)ex dx=(4−x)ex+ex+C=(5−x) ex+C.\int (4-x)e^{x}\,\mathrm{d} x=(4-x)e^{x}-\int (-1)e^{x}\,\mathrm{d} x=(4-x)e^{x}+e^{x}+C=\boxed{(5-x)\,e^{x}+C.}

Vérif. [(5−x)ex]′=−ex+(5−x)ex=(4−x)ex\bigl[(5-x)e^{x}\bigr]'=-e^{x}+(5-x)e^{x}=(4-x)e^{x}.

Exercice 88

Calculer ∫xcos⁡(2x) dx\displaystyle \int x\cos(2x)\,\mathrm{d} x.

∫xcos⁡(2x) dx\displaystyle\int x\cos(2x)\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=cos⁡(2x)V'=\cos(2x), donc U′=1U'=1, V=12sin⁡(2x)V=\tfrac12\sin(2x).

∫xcos⁡(2x) dx=x2sin⁡(2x)−∫12sin⁡(2x) dx=x2sin⁡(2x)+14cos⁡(2x)+C.\int x\cos(2x)\,\mathrm{d} x=\frac{x}{2}\sin(2x)-\int \frac12\sin(2x)\,\mathrm{d} x=\boxed{\frac{x}{2}\sin(2x)+\frac14\cos(2x)+C.}

Vérif. [x2sin⁡2x+14cos⁡2x]′=12sin⁡2x+xcos⁡2x−12sin⁡2x=xcos⁡2x\bigl[\tfrac{x}{2}\sin 2x+\tfrac14\cos 2x\bigr]'=\tfrac12\sin 2x+x\cos 2x-\tfrac12\sin 2x=x\cos 2x.

Exercice 99

Calculer ∫xsin⁡(3x) dx\displaystyle \int x\sin(3x)\,\mathrm{d} x.

∫xsin⁡(3x) dx\displaystyle\int x\sin(3x)\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=sin⁡(3x)V'=\sin(3x), donc U′=1U'=1, V=−13cos⁡(3x)V=-\tfrac13\cos(3x).

∫xsin⁡(3x) dx=−x3cos⁡(3x)+∫13cos⁡(3x) dx=−x3cos⁡(3x)+19sin⁡(3x)+C.\int x\sin(3x)\,\mathrm{d} x=-\frac{x}{3}\cos(3x)+\int \frac13\cos(3x)\,\mathrm{d} x=\boxed{-\frac{x}{3}\cos(3x)+\frac19\sin(3x)+C.}

Vérif. [−x3cos⁡3x+19sin⁡3x]′=−13cos⁡3x+xsin⁡3x+13cos⁡3x=xsin⁡3x\bigl[-\tfrac{x}{3}\cos 3x+\tfrac19\sin 3x\bigr]'=-\tfrac13\cos 3x+x\sin 3x+\tfrac13\cos 3x=x\sin 3x.

Exercice 1010

Calculer ∫(x−1)sin⁡x dx\displaystyle \int (x-1)\sin x\,\mathrm{d} x.

∫(x−1)sin⁡x dx\displaystyle\int (x-1)\sin x\,\mathrm{d} x. Choix : U=x−1U=x-1, V′=sin⁡xV'=\sin x, donc U′=1U'=1, V=−cos⁡xV=-\cos x.

∫(x−1)sin⁡x dx=−(x−1)cos⁡x+∫cos⁡x dx=(1−x)cos⁡x+sin⁡x+C.\int (x-1)\sin x\,\mathrm{d} x=-(x-1)\cos x+\int \cos x\,\mathrm{d} x=\boxed{(1-x)\cos x+\sin x+C.}

Vérif. [(1−x)cos⁡x+sin⁡x]′=−cos⁡x−(1−x)sin⁡x+cos⁡x=(x−1)sin⁡x\bigl[(1-x)\cos x+\sin x\bigr]'=-\cos x-(1-x)\sin x+\cos x=(x-1)\sin x.

Exercice 1111

Calculer ∫(x+1)cos⁡x dx\displaystyle \int (x+1)\cos x\,\mathrm{d} x.

∫(x+1)cos⁡x dx\displaystyle\int (x+1)\cos x\,\mathrm{d} x. Choix : U=x+1U=x+1, V′=cos⁡xV'=\cos x, donc U′=1U'=1, V=sin⁡xV=\sin x.

∫(x+1)cos⁡x dx=(x+1)sin⁡x−∫sin⁡x dx=(x+1)sin⁡x+cos⁡x+C.\int (x+1)\cos x\,\mathrm{d} x=(x+1)\sin x-\int \sin x\,\mathrm{d} x=\boxed{(x+1)\sin x+\cos x+C.}

Vérif. [(x+1)sin⁡x+cos⁡x]′=sin⁡x+(x+1)cos⁡x−sin⁡x=(x+1)cos⁡x\bigl[(x+1)\sin x+\cos x\bigr]'=\sin x+(x+1)\cos x-\sin x=(x+1)\cos x.

Exercice 1212

Calculer ∫(x+3) e−x dx\displaystyle \int (x+3)\,e^{-x}\,\mathrm{d} x.

∫(x+3)e−x dx\displaystyle\int (x+3)e^{-x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=x+3U=x+3, V′=e−xV'=e^{-x}, donc U′=1U'=1, V=−e−xV=-e^{-x}.

∫(x+3)e−x dx=−(x+3)e−x+∫e−x dx=−(x+3)e−x−e−x+C=−(x+4) e−x+C.\int (x+3)e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(x+3)e^{-x}+\int e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(x+3)e^{-x}-e^{-x}+C=\boxed{-(x+4)\,e^{-x}+C.}

Vérif. [−(x+4)e−x]′=−e−x+(x+4)e−x=(x+3)e−x\bigl[-(x+4)e^{-x}\bigr]'=-e^{-x}+(x+4)e^{-x}=(x+3)e^{-x}.

Exercice 1313

Calculer ∫x ex/2 dx\displaystyle \int x\,e^{x/2}\,\mathrm{d} x.

∫x ex/2 dx\displaystyle\int x\,e^{x/2}\,\mathrm{d} x. Choix : U=xU=x, V′=ex/2V'=e^{x/2}, donc U′=1U'=1, V=2ex/2V=2e^{x/2}.

∫x ex/2 dx=2x ex/2−∫2ex/2 dx=2x ex/2−4ex/2+C=2(x−2) ex/2+C.\int x\,e^{x/2}\,\mathrm{d} x=2x\,e^{x/2}-\int 2e^{x/2}\,\mathrm{d} x=2x\,e^{x/2}-4e^{x/2}+C=\boxed{2(x-2)\,e^{x/2}+C.}

Vérif. [2(x−2)ex/2]′=2ex/2+(x−2)ex/2=x ex/2\bigl[2(x-2)e^{x/2}\bigr]'=2e^{x/2}+(x-2)e^{x/2}=x\,e^{x/2}.

Exercice 1414

Calculer ∫(2x+1)sin⁡x dx\displaystyle \int (2x+1)\sin x\,\mathrm{d} x.

∫(2x+1)sin⁡x dx\displaystyle\int (2x+1)\sin x\,\mathrm{d} x. Choix : U=2x+1U=2x+1, V′=sin⁡xV'=\sin x, donc U′=2U'=2, V=−cos⁡xV=-\cos x.

∫(2x+1)sin⁡x dx=−(2x+1)cos⁡x+∫2cos⁡x dx=−(2x+1)cos⁡x+2sin⁡x+C.\int (2x+1)\sin x\,\mathrm{d} x=-(2x+1)\cos x+\int 2\cos x\,\mathrm{d} x=\boxed{-(2x+1)\cos x+2\sin x+C.}

Vérif. [−(2x+1)cos⁡x+2sin⁡x]′=−2cos⁡x+(2x+1)sin⁡x+2cos⁡x=(2x+1)sin⁡x\bigl[-(2x+1)\cos x+2\sin x\bigr]'=-2\cos x+(2x+1)\sin x+2\cos x=(2x+1)\sin x.

Exercice 1515

Calculer ∫(2x+1) e−x dx\displaystyle \int (2x+1)\,e^{-x}\,\mathrm{d} x.

∫(2x+1)e−x dx\displaystyle\int (2x+1)e^{-x}\,\mathrm{d} x. Choix : U=2x+1U=2x+1, V′=e−xV'=e^{-x}, donc U′=2U'=2, V=−e−xV=-e^{-x}.

∫(2x+1)e−x dx=−(2x+1)e−x+∫2e−x dx=−(2x+1)e−x−2e−x+C=−(2x+3) e−x+C.\int (2x+1)e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(2x+1)e^{-x}+\int 2e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(2x+1)e^{-x}-2e^{-x}+C=\boxed{-(2x+3)\,e^{-x}+C.}

Vérif. [−(2x+3)e−x]′=−2e−x+(2x+3)e−x=(2x+1)e−x\bigl[-(2x+3)e^{-x}\bigr]'=-2e^{-x}+(2x+3)e^{-x}=(2x+1)e^{-x}.

Moyen15 exercices
Exercice 11

Calculer ∫ln⁡x dx\displaystyle \int \ln x\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[). Indication : écrire ln⁡x=1⋅ln⁡x\ln x=1\cdot\ln x.

∫ln⁡x dx\displaystyle\int \ln x\,\mathrm{d} x. On pose U=ln⁡xU=\ln x, V′=1V'=1, donc U′=1xU'=\tfrac1x, V=xV=x.

∫ln⁡x dx=xln⁡x−∫x⋅1x dx=xln⁡x−∫1 dx=xln⁡x−x+C.\int \ln x\,\mathrm{d} x=x\ln x-\int x\cdot\frac1x\,\mathrm{d} x=x\ln x-\int 1\,\mathrm{d} x=\boxed{x\ln x-x+C.}

Vérif. [xln⁡x−x]′=ln⁡x+1−1=ln⁡x\bigl[x\ln x-x\bigr]'=\ln x+1-1=\ln x.

Exercice 22

Calculer ∫xln⁡x dx\displaystyle \int x\ln x\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[).

∫xln⁡x dx\displaystyle\int x\ln x\,\mathrm{d} x. Règle L.I.A.T.E. : on dérive le ln⁡\ln. U=ln⁡xU=\ln x, V′=xV'=x, donc U′=1xU'=\tfrac1x, V=x22V=\tfrac{x^2}{2}.

∫xln⁡x dx=x22ln⁡x−∫x22⋅1x dx=x22ln⁡x−12∫x dx=x22ln⁡x−x24+C.\int x\ln x\,\mathrm{d} x=\frac{x^2}{2}\ln x-\int \frac{x^2}{2}\cdot\frac1x\,\mathrm{d} x=\frac{x^2}{2}\ln x-\frac12\int x\,\mathrm{d} x =\boxed{\frac{x^2}{2}\ln x-\frac{x^2}{4}+C.}

Vérif. [x22ln⁡x−x24]′=xln⁡x+x22⋅1x−x2=xln⁡x+x2−x2=xln⁡x\Bigl[\tfrac{x^2}{2}\ln x-\tfrac{x^2}{4}\Bigr]'=x\ln x+\tfrac{x^2}{2}\cdot\tfrac1x-\tfrac{x}{2}=x\ln x+\tfrac x2-\tfrac x2=x\ln x.

Exercice 33

Calculer ∫arctan⁡x dx\displaystyle \int \arctan x\,\mathrm{d} x. Indication : U=arctan⁡xU=\arctan x, V′=1V'=1.

∫arctan⁡x dx\displaystyle\int \arctan x\,\mathrm{d} x. On pose U=arctan⁡xU=\arctan x, V′=1V'=1, donc U′=11+x2U'=\dfrac{1}{1+x^2}, V=xV=x.

∫arctan⁡x dx=xarctan⁡x−∫x1+x2 dx.\int \arctan x\,\mathrm{d} x=x\arctan x-\int \frac{x}{1+x^2}\,\mathrm{d} x.

Pour la dernière intégrale, forme dW/W\mathrm{d} W/W avec W=1+x2W=1+x^2, dW=2x dx\mathrm{d} W=2x\,\mathrm{d} x : ∫x dx1+x2=12ln⁡(1+x2)\displaystyle\int\frac{x\,\mathrm{d} x}{1+x^2}=\frac12\ln(1+x^2). D'où

∫arctan⁡x dx=xarctan⁡x−12ln⁡(1+x2)+C.\boxed{\int \arctan x\,\mathrm{d} x=x\arctan x-\frac12\ln(1+x^2)+C.}

Vérif. [xarctan⁡x−12ln⁡(1+x2)]′=arctan⁡x+x1+x2−12⋅2x1+x2=arctan⁡x\bigl[x\arctan x-\tfrac12\ln(1+x^2)\bigr]'=\arctan x+\dfrac{x}{1+x^2}-\dfrac12\cdot\dfrac{2x}{1+x^2}=\arctan x.

Exercice 44

Calculer ∫x e2x dx\displaystyle \int x\,e^{2x}\,\mathrm{d} x. Attention à la primitive de e2xe^{2x}.

∫x e2x dx\displaystyle\int x\,e^{2x}\,\mathrm{d} x. U=xU=x, V′=e2xV'=e^{2x}, donc U′=1U'=1, V=12e2xV=\tfrac12 e^{2x}.

∫x e2x dx=x⋅12e2x−∫12e2x dx=x2e2x−12⋅12e2x+C=2x−14 e2x+C.\int x\,e^{2x}\,\mathrm{d} x=x\cdot\frac12 e^{2x}-\int \frac12 e^{2x}\,\mathrm{d} x=\frac{x}{2}e^{2x}-\frac12\cdot\frac12 e^{2x}+C =\boxed{\frac{2x-1}{4}\,e^{2x}+C.}

Vérif. [x2e2x−14e2x]′=12e2x+x2⋅2e2x−14⋅2e2x=12e2x+xe2x−12e2x=xe2x\Bigl[\tfrac{x}{2}e^{2x}-\tfrac14 e^{2x}\Bigr]'=\tfrac12 e^{2x}+\tfrac x2\cdot 2e^{2x}-\tfrac14\cdot 2e^{2x}=\tfrac12 e^{2x}+x e^{2x}-\tfrac12 e^{2x}=x e^{2x}.

Exercice 55

Calculer ∫x2 ex dx\displaystyle \int x^{2}\,e^{x}\,\mathrm{d} x (deux IPP successives).

∫x2ex dx\displaystyle\int x^{2}e^{x}\,\mathrm{d} x. 1 IPP : U=x2U=x^2, V′=exV'=e^x (U′=2xU'=2x, V=exV=e^x) :

∫x2ex dx=x2ex−∫2x ex dx=x2ex−2∫x ex dx.\int x^2 e^x\,\mathrm{d} x=x^2 e^x-\int 2x\,e^x\,\mathrm{d} x=x^2 e^x-2\int x\,e^x\,\mathrm{d} x.

2 IPP (déjà connue) : ∫xex dx=(x−1)ex+C\int x e^x\,\mathrm{d} x=(x-1)e^x+C. Donc

∫x2ex dx=x2ex−2(x−1)ex+C=(x2−2x+2) ex+C.\int x^2 e^x\,\mathrm{d} x=x^2 e^x-2(x-1)e^x+C=\boxed{(x^2-2x+2)\,e^x+C.}

Vérif. [(x2−2x+2)ex]′=(2x−2)ex+(x2−2x+2)ex=(x2)ex=x2ex\bigl[(x^2-2x+2)e^x\bigr]'=(2x-2)e^x+(x^2-2x+2)e^x=(x^2)e^x=x^2 e^x.

Exercice 66

Calculer ∫x2ln⁡x dx\displaystyle \int x^{2}\ln x\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[).

∫x2ln⁡x dx\displaystyle\int x^{2}\ln x\,\mathrm{d} x. Règle L.I.A.T.E. : on dérive ln⁡x\ln x. U=ln⁡xU=\ln x, V′=x2V'=x^{2}, donc U′=1xU'=\tfrac1x, V=x33V=\tfrac{x^{3}}{3}.

∫x2ln⁡x dx=x33ln⁡x−∫x33⋅1x dx=x33ln⁡x−13∫x2 dx=x33ln⁡x−x39+C.\int x^{2}\ln x\,\mathrm{d} x=\frac{x^{3}}{3}\ln x-\int \frac{x^{3}}{3}\cdot\frac1x\,\mathrm{d} x=\frac{x^{3}}{3}\ln x-\frac13\int x^{2}\,\mathrm{d} x=\boxed{\frac{x^{3}}{3}\ln x-\frac{x^{3}}{9}+C.}

Vérif. [x33ln⁡x−x39]′=x2ln⁡x+x23−x23=x2ln⁡x\Bigl[\tfrac{x^3}{3}\ln x-\tfrac{x^3}{9}\Bigr]'=x^2\ln x+\tfrac{x^2}{3}-\tfrac{x^2}{3}=x^2\ln x.

Exercice 77

Calculer ∫ln⁡xx2 dx\displaystyle \int \frac{\ln x}{x^{2}}\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[).

∫ln⁡xx2 dx\displaystyle\int \frac{\ln x}{x^{2}}\,\mathrm{d} x. U=ln⁡xU=\ln x, V′=x−2V'=x^{-2}, donc U′=1xU'=\tfrac1x, V=−1xV=-\tfrac1x.

∫ln⁡xx2 dx=−ln⁡xx−∫(−1x)⋅1x dx=−ln⁡xx+∫x−2 dx=−ln⁡xx−1x+C=−ln⁡x+1x+C.\int \frac{\ln x}{x^{2}}\,\mathrm{d} x=-\frac{\ln x}{x}-\int \Bigl(-\frac1x\Bigr)\cdot\frac1x\,\mathrm{d} x=-\frac{\ln x}{x}+\int x^{-2}\,\mathrm{d} x=-\frac{\ln x}{x}-\frac1x+C=\boxed{-\frac{\ln x+1}{x}+C.}

Vérif. [−ln⁡x+1x]′=−1x⋅x−(ln⁡x+1)x2=−1−ln⁡x−1x2=ln⁡xx2\Bigl[-\tfrac{\ln x+1}{x}\Bigr]'=-\dfrac{\tfrac1x\cdot x-(\ln x+1)}{x^{2}}=-\dfrac{1-\ln x-1}{x^{2}}=\dfrac{\ln x}{x^{2}}.

Exercice 88

Calculer ∫(ln⁡x)2 dx\displaystyle \int (\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[). Indication : U=(ln⁡x)2U=(\ln x)^2, V′=1V'=1 ; on réutilise ∫ln⁡x dx\int\ln x\,\mathrm{d} x.

∫(ln⁡x)2 dx\displaystyle\int (\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x. U=(ln⁡x)2U=(\ln x)^{2}, V′=1V'=1, donc U′=2ln⁡xxU'=\dfrac{2\ln x}{x}, V=xV=x.

∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−∫x⋅2ln⁡xx dx=x(ln⁡x)2−2∫ln⁡x dx.\int (\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x=x(\ln x)^{2}-\int x\cdot\frac{2\ln x}{x}\,\mathrm{d} x=x(\ln x)^{2}-2\int \ln x\,\mathrm{d} x.

Or ∫ln⁡x dx=xln⁡x−x\int\ln x\,\mathrm{d} x=x\ln x-x, d'où

∫(ln⁡x)2 dx=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x+C.\boxed{\int (\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x=x(\ln x)^{2}-2x\ln x+2x+C.}

Vérif. [x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x]′=(ln⁡x)2+2ln⁡x−2ln⁡x−2+2=(ln⁡x)2\bigl[x(\ln x)^2-2x\ln x+2x\bigr]'=(\ln x)^2+2\ln x-2\ln x-2+2=(\ln x)^2.

Exercice 99

Calculer ∫arcsin⁡x dx\displaystyle \int \arcsin x\,\mathrm{d} x (sur ]−1,1[]-1,1[). Indication : U=arcsin⁡xU=\arcsin x, V′=1V'=1.

∫arcsin⁡x dx\displaystyle\int \arcsin x\,\mathrm{d} x. U=arcsin⁡xU=\arcsin x, V′=1V'=1, donc U′=11−x2U'=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}, V=xV=x.

∫arcsin⁡x dx=xarcsin⁡x−∫x1−x2 dx.\int \arcsin x\,\mathrm{d} x=x\arcsin x-\int \frac{x}{\sqrt{1-x^{2}}}\,\mathrm{d} x.

Pour la dernière intégrale, W=1−x2W=1-x^{2}, dW=−2x dx\mathrm{d} W=-2x\,\mathrm{d} x : ∫x dx1−x2=−1−x2\displaystyle\int\frac{x\,\mathrm{d} x}{\sqrt{1-x^{2}}}=-\sqrt{1-x^{2}}. D'où

∫arcsin⁡x dx=xarcsin⁡x+1−x2+C.\boxed{\int \arcsin x\,\mathrm{d} x=x\arcsin x+\sqrt{1-x^{2}}+C.}

Vérif. [xarcsin⁡x+1−x2]′=arcsin⁡x+x1−x2−x1−x2=arcsin⁡x\bigl[x\arcsin x+\sqrt{1-x^{2}}\bigr]'=\arcsin x+\dfrac{x}{\sqrt{1-x^{2}}}-\dfrac{x}{\sqrt{1-x^{2}}}=\arcsin x.

Exercice 1010

Calculer ∫xsin⁡2x dx\displaystyle \int \frac{x}{\sin^{2}x}\,\mathrm{d} x. Rappel : une primitive de 1/sin⁡2x1/\sin^2 x est −cot⁡x-\cot x.

∫xsin⁡2x dx\displaystyle\int \frac{x}{\sin^{2}x}\,\mathrm{d} x. U=xU=x, V′=1sin⁡2xV'=\dfrac{1}{\sin^{2}x}, donc U′=1U'=1, V=−cot⁡xV=-\cot x.

∫xsin⁡2x dx=−xcot⁡x+∫cot⁡x dx=−xcot⁡x+∫cos⁡xsin⁡x dx=−xcot⁡x+ln⁡∣sin⁡x∣+C.\int \frac{x}{\sin^{2}x}\,\mathrm{d} x=-x\cot x+\int \cot x\,\mathrm{d} x=-x\cot x+\int\frac{\cos x}{\sin x}\,\mathrm{d} x=\boxed{-x\cot x+\ln|\sin x|+C.}

Vérif. [−xcot⁡x+ln⁡∣sin⁡x∣]′=−cot⁡x+xsin⁡2x+cos⁡xsin⁡x=xsin⁡2x\bigl[-x\cot x+\ln|\sin x|\bigr]'=-\cot x+\dfrac{x}{\sin^{2}x}+\dfrac{\cos x}{\sin x}=\dfrac{x}{\sin^{2}x}.

Exercice 1111

Calculer ∫x 3x dx\displaystyle \int x\,3^{x}\,\mathrm{d} x. Rappel : (3x)′=3xln⁡3(3^{x})'=3^{x}\ln 3, donc une primitive de 3x3^{x} est 3x/ln⁡33^{x}/\ln 3.

∫x 3x dx\displaystyle\int x\,3^{x}\,\mathrm{d} x. U=xU=x, V′=3xV'=3^{x}, donc U′=1U'=1, V=3xln⁡3V=\dfrac{3^{x}}{\ln 3}.

∫x 3x dx=x 3xln⁡3−∫3xln⁡3 dx=x 3xln⁡3−3x(ln⁡3)2+C=3xln⁡3(x−1ln⁡3)+C.\int x\,3^{x}\,\mathrm{d} x=\frac{x\,3^{x}}{\ln 3}-\int \frac{3^{x}}{\ln 3}\,\mathrm{d} x=\frac{x\,3^{x}}{\ln 3}-\frac{3^{x}}{(\ln 3)^{2}}+C=\boxed{\frac{3^{x}}{\ln 3}\Bigl(x-\frac{1}{\ln 3}\Bigr)+C.}

Vérif. [x 3xln⁡3−3x(ln⁡3)2]′=3x+x 3xln⁡3ln⁡3−3xln⁡3(ln⁡3)2=3xln⁡3+x 3x−3xln⁡3=x 3x\Bigl[\tfrac{x\,3^{x}}{\ln 3}-\tfrac{3^{x}}{(\ln 3)^2}\Bigr]'=\tfrac{3^{x}+x\,3^{x}\ln 3}{\ln 3}-\tfrac{3^{x}\ln 3}{(\ln 3)^2}=\tfrac{3^x}{\ln 3}+x\,3^x-\tfrac{3^x}{\ln 3}=x\,3^{x}.

Exercice 1212

Calculer ∫xarctan⁡x dx\displaystyle \int x\arctan x\,\mathrm{d} x. Indication : après l'IPP, écrire x21+x2=1−11+x2\dfrac{x^2}{1+x^2}=1-\dfrac{1}{1+x^2}.

∫xarctan⁡x dx\displaystyle\int x\arctan x\,\mathrm{d} x. U=arctan⁡xU=\arctan x, V′=xV'=x, donc U′=11+x2U'=\dfrac{1}{1+x^{2}}, V=x22V=\dfrac{x^{2}}{2}.

∫xarctan⁡x dx=x22arctan⁡x−12∫x21+x2 dx.\int x\arctan x\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}\arctan x-\frac12\int \frac{x^{2}}{1+x^{2}}\,\mathrm{d} x.

Avec x21+x2=1−11+x2\dfrac{x^{2}}{1+x^{2}}=1-\dfrac{1}{1+x^{2}}, on a ∫x21+x2 dx=x−arctan⁡x\displaystyle\int\frac{x^{2}}{1+x^{2}}\,\mathrm{d} x=x-\arctan x. D'où

∫xarctan⁡x dx=x22arctan⁡x−12(x−arctan⁡x)+C=x2+12arctan⁡x−x2+C.\int x\arctan x\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}\arctan x-\frac12\bigl(x-\arctan x\bigr)+C=\boxed{\frac{x^{2}+1}{2}\arctan x-\frac{x}{2}+C.}

Vérif. [x2+12arctan⁡x−x2]′=xarctan⁡x+x2+12⋅11+x2−12=xarctan⁡x\Bigl[\tfrac{x^2+1}{2}\arctan x-\tfrac{x}{2}\Bigr]'=x\arctan x+\tfrac{x^2+1}{2}\cdot\tfrac{1}{1+x^2}-\tfrac12=x\arctan x.

Exercice 1313

Calculer ∫x2 e−x dx\displaystyle \int x^{2}\,e^{-x}\,\mathrm{d} x (deux IPP successives).

∫x2e−x dx\displaystyle\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x. 1 IPP : U=x2U=x^{2}, V′=e−xV'=e^{-x} (U′=2xU'=2x, V=−e−xV=-e^{-x}) :

∫x2e−x dx=−x2e−x+∫2x e−x dx=−x2e−x+2∫x e−x dx.\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{2}e^{-x}+\int 2x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{2}e^{-x}+2\int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x.

2 IPP (niveau Facile) : ∫xe−x dx=−(x+1)e−x\int x e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(x+1)e^{-x}. Donc

∫x2e−x dx=−x2e−x−2(x+1)e−x+C=−(x2+2x+2) e−x+C.\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{2}e^{-x}-2(x+1)e^{-x}+C=\boxed{-(x^{2}+2x+2)\,e^{-x}+C.}

Vérif. [−(x2+2x+2)e−x]′=−(2x+2)e−x+(x2+2x+2)e−x=x2e−x\bigl[-(x^2+2x+2)e^{-x}\bigr]'=-(2x+2)e^{-x}+(x^2+2x+2)e^{-x}=x^{2}e^{-x}.

Exercice 1414

Calculer l'intégrale définie ∫1eln⁡x dx\displaystyle \int_{1}^{e}\ln x\,\mathrm{d} x.

∫1eln⁡x dx\displaystyle\int_{1}^{e}\ln x\,\mathrm{d} x. Une primitive de ln⁡x\ln x est xln⁡x−xx\ln x-x. Par Newton–Leibniz :

∫1eln⁡x dx=[xln⁡x−x]1e=(e⋅1−e)−(1⋅0−1)=0−(−1)=1.\int_{1}^{e}\ln x\,\mathrm{d} x=\bigl[x\ln x-x\bigr]_{1}^{e}=(e\cdot 1-e)-(1\cdot 0-1)=0-(-1)=\boxed{1.}
Exercice 1515

Calculer l'intégrale définie ∫0πxsin⁡x dx\displaystyle \int_{0}^{\pi} x\sin x\,\mathrm{d} x.

∫0πxsin⁡x dx\displaystyle\int_{0}^{\pi}x\sin x\,\mathrm{d} x. Une primitive de xsin⁡xx\sin x est −xcos⁡x+sin⁡x-x\cos x+\sin x (niveau Facile). Donc

∫0πxsin⁡x dx=[−xcos⁡x+sin⁡x]0π=(−πcos⁡π+sin⁡π)−(0)=π+0=π.\int_{0}^{\pi}x\sin x\,\mathrm{d} x=\bigl[-x\cos x+\sin x\bigr]_{0}^{\pi}=(-\pi\cos\pi+\sin\pi)-(0)=\pi+0=\boxed{\pi.}
Difficile14 exercices
Exercice 11 — l'IPP qui « boucle »

On pose I=∫exsin⁡x dx\displaystyle I=\int e^{x}\sin x\,\mathrm{d} x et J=∫excos⁡x dx\displaystyle J=\int e^{x}\cos x\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    En intégrant deux fois par parties (en gardant toujours V′=exV'=e^x), établir une relation entre II et JJ, puis une seconde entre JJ et II.

    On garde toujours V′=exV'=e^x (donc V=exV=e^x).

    Calcul de II avec U=sin⁡xU=\sin x (U′=cos⁡xU'=\cos x) :

    I=∫exsin⁡x dx=exsin⁡x−∫excos⁡x dx=exsin⁡x−J.I=\int e^{x}\sin x\,\mathrm{d} x=e^{x}\sin x-\int e^{x}\cos x\,\mathrm{d} x=e^{x}\sin x-J.

    Calcul de JJ avec U=cos⁡xU=\cos x (U′=−sin⁡xU'=-\sin x) :

    J=∫excos⁡x dx=excos⁡x−∫ex(−sin⁡x) dx=excos⁡x+I.J=\int e^{x}\cos x\,\mathrm{d} x=e^{x}\cos x-\int e^{x}(-\sin x)\,\mathrm{d} x=e^{x}\cos x+I.
  2. b)

    En déduire la valeur de II, puis celle de JJ.

    On substitue la 2 relation dans la 1 :

    I=exsin⁡x−(excos⁡x+I) ⟹ 2I=ex(sin⁡x−cos⁡x),I=e^{x}\sin x-\bigl(e^{x}\cos x+I\bigr)\ \Longrightarrow\ 2I=e^{x}(\sin x-\cos x),

    d'où I=12 ex(sin⁡x−cos⁡x)+C.\displaystyle \boxed{I=\tfrac12\,e^{x}(\sin x-\cos x)+C.} Puis J=excos⁡x+I=12 ex(sin⁡x+cos⁡x)+C.J=e^{x}\cos x+I=\boxed{\tfrac12\,e^{x}(\sin x+\cos x)+C.}

  3. c)

    Retrouver alors sans nouveau calcul ∫ex(sin⁡x+cos⁡x) dx\displaystyle\int e^{x}(\sin x+\cos x)\,\mathrm{d} x, et interpréter le résultat.

    Par linéarité, ∫ex(sin⁡x+cos⁡x) dx=I+J=exsin⁡x+C.\displaystyle\int e^{x}(\sin x+\cos x)\,\mathrm{d} x=I+J=e^{x}\sin x+C. Interprétation : on retrouve directement que (exsin⁡x)′=exsin⁡x+excos⁡x=ex(sin⁡x+cos⁡x)\bigl(e^{x}\sin x\bigr)'=e^{x}\sin x+e^{x}\cos x =e^{x}(\sin x+\cos x) : l'intégrande était exactement une dérivée de produit.

Exercice 22 — double IPP

Calculer ∫x2cos⁡x dx\displaystyle \int x^{2}\cos x\,\mathrm{d} x à l'aide de deux intégrations par parties successives.

∫x2cos⁡x dx\displaystyle\int x^{2}\cos x\,\mathrm{d} x. 1 IPP : U=x2U=x^{2}, V′=cos⁡xV'=\cos x (U′=2xU'=2x, V=sin⁡xV=\sin x) :

∫x2cos⁡x dx=x2sin⁡x−∫2xsin⁡x dx=x2sin⁡x−2∫xsin⁡x dx.\int x^{2}\cos x\,\mathrm{d} x=x^{2}\sin x-\int 2x\sin x\,\mathrm{d} x=x^{2}\sin x-2\int x\sin x\,\mathrm{d} x.

Or ∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x+sin⁡x\displaystyle\int x\sin x\,\mathrm{d} x=-x\cos x+\sin x (niveau Facile). Donc

∫x2cos⁡x dx=x2sin⁡x−2(−xcos⁡x+sin⁡x)+C=x2sin⁡x+2xcos⁡x−2sin⁡x+C.\int x^{2}\cos x\,\mathrm{d} x=x^{2}\sin x-2(-x\cos x+\sin x)+C=\boxed{x^{2}\sin x+2x\cos x-2\sin x+C.}

Vérif. [x2sin⁡x+2xcos⁡x−2sin⁡x]′=2xsin⁡x+x2cos⁡x+2cos⁡x−2xsin⁡x−2cos⁡x=x2cos⁡x\bigl[x^{2}\sin x+2x\cos x-2\sin x\bigr]' =2x\sin x+x^{2}\cos x+2\cos x-2x\sin x-2\cos x=x^{2}\cos x.

Exercice 33 — IPP sur un intervalle

Soit A=∫01(x+1) ex dx\displaystyle A=\int_{0}^{1}(x+1)\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    Déterminer une primitive de x↦(x+1)exx\mapsto(x+1)e^x par intégration par parties.

    ∫(x+1)ex dx\displaystyle\int (x+1)e^{x}\,\mathrm{d} x avec U=x+1U=x+1, V′=exV'=e^{x} (U′=1U'=1, V=exV=e^{x}) :

    ∫(x+1)ex dx=(x+1)ex−∫ex dx=(x+1)ex−ex+C=x ex+C.\int (x+1)e^{x}\,\mathrm{d} x=(x+1)e^{x}-\int e^{x}\,\mathrm{d} x=(x+1)e^{x}-e^{x}+C=x\,e^{x}+C.

    Une primitive est donc F(x)=x exF(x)=x\,e^{x}. Vérif. (xex)′=ex+xex=(x+1)ex(x e^{x})'=e^{x}+x e^{x}=(x+1)e^{x}.

  2. b)

    En déduire la valeur exacte de AA.

    Par Newton–Leibniz,

    A=∫01(x+1)ex dx=[x ex]01=1⋅e1−0⋅e0=e.A=\int_{0}^{1}(x+1)e^{x}\,\mathrm{d} x=\bigl[x\,e^{x}\bigr]_{0}^{1}=1\cdot e^{1}-0\cdot e^{0}=\boxed{e.}
Exercice 44 — une relation de récurrence

Pour tout entier n⩾0n\geqslant 0, on pose In=∫xn ex dx\displaystyle I_{n}=\int x^{n}\,e^{x}\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    Par une IPP, montrer que pour tout n⩾1n\geqslant 1 : In=xnex−n In−1\displaystyle I_{n}=x^{n}e^{x}-n\,I_{n-1}.

    Pour n⩾1n\geqslant 1, IPP avec U=xnU=x^{n}, V′=exV'=e^{x} (U′=nxn−1U'=n x^{n-1}, V=exV=e^{x}) :

    In=∫xnex dx=xnex−∫nxn−1ex dx=xnex−n In−1.I_{n}=\int x^{n}e^{x}\,\mathrm{d} x=x^{n}e^{x}-\int n x^{n-1}e^{x}\,\mathrm{d} x=\boxed{x^{n}e^{x}-n\,I_{n-1}.}
  2. b)

    Sachant que I0=ex+CI_{0}=e^{x}+C, calculer successivement I1I_{1}, I2I_{2} et I3I_{3}.

    Avec I0=ex+CI_{0}=e^{x}+C :

    I1=xex−1⋅I0=xex−ex+C=(x−1)ex+C,I2=x2ex−2I1=x2ex−2(x−1)ex+C=(x2−2x+2) ex+C,I3=x3ex−3I2=x3ex−3(x2−2x+2)ex+C=(x3−3x2+6x−6) ex+C.\begin{align*} I_{1}&=x e^{x}-1\cdot I_{0}=x e^{x}-e^{x}+C=(x-1)e^{x}+C,\\ I_{2}&=x^{2}e^{x}-2 I_{1}=x^{2}e^{x}-2(x-1)e^{x}+C=(x^{2}-2x+2)\,e^{x}+C,\\ I_{3}&=x^{3}e^{x}-3 I_{2}=x^{3}e^{x}-3(x^{2}-2x+2)e^{x}+C=(x^{3}-3x^{2}+6x-6)\,e^{x}+C. \end{align*}

    Vérif. (I3I_3). [(x3−3x2+6x−6)ex]′=(3x2−6x+6)ex+(x3−3x2+6x−6)ex=x3ex\bigl[(x^{3}-3x^{2}+6x-6)e^{x}\bigr]'=(3x^{2}-6x+6)e^{x}+(x^{3}-3x^{2}+6x-6)e^{x}=x^{3}e^{x}.

Exercice 55 — deux intégrales couplées

On pose I=∫e2xcos⁡(3x) dx\displaystyle I=\int e^{2x}\cos(3x)\,\mathrm{d} x et J=∫e2xsin⁡(3x) dx\displaystyle J=\int e^{2x}\sin(3x)\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    En intégrant chacune une fois par parties (en gardant toujours V′=e2xV'=e^{2x}), établir deux relations reliant II et JJ.

    On garde toujours V′=e2xV'=e^{2x}, donc V=12e2xV=\tfrac12 e^{2x}.

    Pour II, U=cos⁡3xU=\cos 3x (U′=−3sin⁡3xU'=-3\sin 3x) :

    I=e2x2cos⁡3x−∫e2x2(−3sin⁡3x) dx=e2x2cos⁡3x+32J.I=\frac{e^{2x}}{2}\cos 3x-\int \frac{e^{2x}}{2}(-3\sin 3x)\,\mathrm{d} x=\frac{e^{2x}}{2}\cos 3x+\frac32 J.

    Pour JJ, U=sin⁡3xU=\sin 3x (U′=3cos⁡3xU'=3\cos 3x) :

    J=e2x2sin⁡3x−∫e2x2(3cos⁡3x) dx=e2x2sin⁡3x−32I.J=\frac{e^{2x}}{2}\sin 3x-\int \frac{e^{2x}}{2}(3\cos 3x)\,\mathrm{d} x=\frac{e^{2x}}{2}\sin 3x-\frac32 I.
  2. b)

    Résoudre le système obtenu et donner II et JJ.

    On injecte la 2 relation dans la 1 :

    I=e2x2cos⁡3x+32(e2x2sin⁡3x−32I) ⟹ 134I=e2x4(2cos⁡3x+3sin⁡3x),I=\frac{e^{2x}}{2}\cos 3x+\frac32\Bigl(\frac{e^{2x}}{2}\sin 3x-\frac32 I\Bigr)\ \Longrightarrow\ \frac{13}{4}I=\frac{e^{2x}}{4}\bigl(2\cos 3x+3\sin 3x\bigr),

    d'où I=e2x13(2cos⁡3x+3sin⁡3x)+C,\displaystyle \boxed{I=\frac{e^{2x}}{13}\bigl(2\cos 3x+3\sin 3x\bigr)+C,} puis J=e2x2sin⁡3x−32I=e2x13(2sin⁡3x−3cos⁡3x)+C.\displaystyle J=\frac{e^{2x}}{2}\sin 3x-\frac32 I=\boxed{\frac{e^{2x}}{13}\bigl(2\sin 3x-3\cos 3x\bigr)+C.}

  3. c)

    En déduire la valeur exacte de ∫0π/3e2xcos⁡(3x) dx\displaystyle\int_{0}^{\pi/3} e^{2x}\cos(3x)\,\mathrm{d} x.

    Avec la primitive I(x)=e2x13(2cos⁡3x+3sin⁡3x)\displaystyle \mathcal{I}(x)=\frac{e^{2x}}{13}\bigl(2\cos 3x+3\sin 3x\bigr), et puisqu'en x=π/3x=\pi/3 on a cos⁡π=−1\cos\pi=-1, sin⁡π=0\sin\pi=0 :

    ∫0π/3e2xcos⁡3x dx=[I(x)]0π/3=e2π/313(−2)−113(2)=−213(e2π/3+1).\int_{0}^{\pi/3} e^{2x}\cos 3x\,\mathrm{d} x=\bigl[\mathcal{I}(x)\bigr]_{0}^{\pi/3} =\frac{e^{2\pi/3}}{13}(-2)-\frac{1}{13}(2)=\boxed{-\frac{2}{13}\bigl(e^{2\pi/3}+1\bigr).}
Exercice 66 — aire sous une courbe

Soit f(x)=x e−xf(x)=x\,e^{-x} définie sur [0,+∞[[0,+\infty[. Sa courbe part de l'origine, culmine puis décroît vers 00.

  1. a)

    Déterminer, par une intégration par parties, une primitive FF de ff.

    ∫x e−x dx\displaystyle\int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x avec U=xU=x, V′=e−xV'=e^{-x} (U′=1U'=1, V=−e−xV=-e^{-x}) :

    ∫x e−x dx=−x e−x+∫e−x dx=−x e−x−e−x+C.\int x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x\,e^{-x}+\int e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x\,e^{-x}-e^{-x}+C.

    Une primitive est donc F(x)=−(x+1)e−xF(x)=-(x+1)e^{-x}.

  2. b)

    Calculer l'aire A\mathcal{A} (en unités d'aire) du domaine grisé, compris entre la courbe et l'axe des abscisses pour 0⩽x⩽20\leqslant x\leqslant 2.

    Comme f⩾0f\geqslant 0 sur [0,2][0,2], l'aire est directement l'intégrale :

    A=∫02x e−x dx=[−(x+1)e−x]02=−3e−2−(−1)=1−3e−2  u.a. (≈0,594  u.a.).\mathcal{A}=\int_{0}^{2} x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=\bigl[-(x+1)e^{-x}\bigr]_{0}^{2}=-3e^{-2}-(-1)=\boxed{1-3e^{-2}\ \,\text{u.a.}}\ (\approx 0{,}594\ \,\text{u.a.}).
  3. c)

    L'aire totale sous la courbe sur [0,+∞[[0,+\infty[ est lim⁡b→+∞∫0bf(x) dx\displaystyle\lim_{b\to+\infty}\int_{0}^{b} f(x)\,\mathrm{d} x. Montrer qu'elle vaut 1 u.a.1\,\text{u.a.}.

    Sur [0,b][0,b], ∫0bx e−x dx=[−(x+1)e−x]0b=1−(b+1)e−b\displaystyle\int_{0}^{b} x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=\bigl[-(x+1)e^{-x}\bigr]_{0}^{b}=1-(b+1)e^{-b}. Or (b+1)e−b→0(b+1)e^{-b}\to 0 quand b→+∞b\to+\infty (l'exponentielle l'emporte sur le polynôme), donc l'aire totale vaut

    lim⁡b→+∞(1−(b+1)e−b)=1 u.a..\lim_{b\to+\infty}\bigl(1-(b+1)e^{-b}\bigr)=\boxed{1\,\text{u.a.}.}
Exercice 77 — logarithme au carré ×\times polynôme

Calculer ∫x(ln⁡x)2 dx\displaystyle \int x(\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[). On pourra réutiliser ∫xln⁡x dx\int x\ln x\,\mathrm{d} x.

∫x(ln⁡x)2 dx\displaystyle\int x(\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x. U=(ln⁡x)2U=(\ln x)^{2}, V′=xV'=x, donc U′=2ln⁡xxU'=\dfrac{2\ln x}{x}, V=x22V=\dfrac{x^{2}}{2}.

∫x(ln⁡x)2 dx=x22(ln⁡x)2−∫x22⋅2ln⁡xx dx=x22(ln⁡x)2−∫xln⁡x dx.\int x(\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}(\ln x)^{2}-\int \frac{x^{2}}{2}\cdot\frac{2\ln x}{x}\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}(\ln x)^{2}-\int x\ln x\,\mathrm{d} x.

Or ∫xln⁡x dx=x22ln⁡x−x24\displaystyle\int x\ln x\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}\ln x-\frac{x^{2}}{4} (niveau Moyen), donc

∫x(ln⁡x)2 dx=x22(ln⁡x)2−x22ln⁡x+x24+C.\boxed{\int x(\ln x)^{2}\,\mathrm{d} x=\frac{x^{2}}{2}(\ln x)^{2}-\frac{x^{2}}{2}\ln x+\frac{x^{2}}{4}+C.}

Vérif. [x22(ln⁡x)2−x22ln⁡x+x24]′=x(ln⁡x)2+xln⁡x−xln⁡x−x2+x2=x(ln⁡x)2\Bigl[\tfrac{x^2}{2}(\ln x)^2-\tfrac{x^2}{2}\ln x+\tfrac{x^2}{4}\Bigr]'=x(\ln x)^2+x\ln x-x\ln x-\tfrac{x}{2}+\tfrac{x}{2}=x(\ln x)^2.

Exercice 88 — récurrence pour ∫(ln⁡x)n\int(\ln x)^{n}

Pour tout entier n⩾0n\geqslant 0, on pose Jn=∫(ln⁡x)n dx\displaystyle J_{n}=\int (\ln x)^{n}\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[), avec la convention (ln⁡x)0=1(\ln x)^{0}=1.

  1. a)

    Par une IPP (U=(ln⁡x)nU=(\ln x)^{n}, V′=1V'=1), montrer que pour tout n⩾1n\geqslant 1 : Jn=x(ln⁡x)n−n Jn−1\displaystyle J_{n}=x(\ln x)^{n}-n\,J_{n-1}.

    Pour n⩾1n\geqslant 1, IPP avec U=(ln⁡x)nU=(\ln x)^{n}, V′=1V'=1 (U′=n(ln⁡x)n−1xU'=\dfrac{n(\ln x)^{n-1}}{x}, V=xV=x) :

    Jn=x(ln⁡x)n−∫x⋅n(ln⁡x)n−1x dx=x(ln⁡x)n−n∫(ln⁡x)n−1 dx=x(ln⁡x)n−n Jn−1.J_{n}=x(\ln x)^{n}-\int x\cdot\frac{n(\ln x)^{n-1}}{x}\,\mathrm{d} x=x(\ln x)^{n}-n\int (\ln x)^{n-1}\,\mathrm{d} x=\boxed{x(\ln x)^{n}-n\,J_{n-1}.}
  2. b)

    Sachant que J0=x+CJ_{0}=x+C, calculer J1J_{1}, J2J_{2} et J3J_{3}.

    Avec J0=x+CJ_{0}=x+C :

    J1=xln⁡x−1⋅J0=xln⁡x−x+C,J2=x(ln⁡x)2−2J1=x(ln⁡x)2−2xln⁡x+2x+C,J3=x(ln⁡x)3−3J2=x(ln⁡x)3−3x(ln⁡x)2+6xln⁡x−6x+C.\begin{align*} J_{1}&=x\ln x-1\cdot J_{0}=x\ln x-x+C,\\ J_{2}&=x(\ln x)^{2}-2J_{1}=x(\ln x)^{2}-2x\ln x+2x+C,\\ J_{3}&=x(\ln x)^{3}-3J_{2}=x(\ln x)^{3}-3x(\ln x)^{2}+6x\ln x-6x+C. \end{align*}
Exercice 99 — une IPP qui « boucle » déguisée

On pose I=∫cos⁡(ln⁡x) dx\displaystyle I=\int \cos(\ln x)\,\mathrm{d} x et J=∫sin⁡(ln⁡x) dx\displaystyle J=\int \sin(\ln x)\,\mathrm{d} x (sur ]0,+∞[]0,+\infty[).

  1. a)

    En prenant V′=1V'=1 (donc V=xV=x) dans chaque intégrale, établir deux relations reliant II et JJ.

    Pour II, U=cos⁡(ln⁡x)U=\cos(\ln x), V′=1V'=1 (U′=−sin⁡(ln⁡x)xU'=-\dfrac{\sin(\ln x)}{x}, V=xV=x) :

    I=xcos⁡(ln⁡x)−∫x⋅(−sin⁡(ln⁡x)x)dx=xcos⁡(ln⁡x)+∫sin⁡(ln⁡x) dx=xcos⁡(ln⁡x)+J.I=x\cos(\ln x)-\int x\cdot\Bigl(-\frac{\sin(\ln x)}{x}\Bigr)\mathrm{d} x=x\cos(\ln x)+\int \sin(\ln x)\,\mathrm{d} x=x\cos(\ln x)+J.

    Pour JJ, U=sin⁡(ln⁡x)U=\sin(\ln x), V′=1V'=1 (U′=cos⁡(ln⁡x)xU'=\dfrac{\cos(\ln x)}{x}, V=xV=x) :

    J=xsin⁡(ln⁡x)−∫cos⁡(ln⁡x) dx=xsin⁡(ln⁡x)−I.J=x\sin(\ln x)-\int \cos(\ln x)\,\mathrm{d} x=x\sin(\ln x)-I.
  2. b)

    En déduire la valeur de II.

    En reportant JJ dans la première relation :

    I=xcos⁡(ln⁡x)+xsin⁡(ln⁡x)−I ⟹ 2I=x(cos⁡(ln⁡x)+sin⁡(ln⁡x)),I=x\cos(\ln x)+x\sin(\ln x)-I\ \Longrightarrow\ 2I=x\bigl(\cos(\ln x)+\sin(\ln x)\bigr),

    d'où I=x2(cos⁡(ln⁡x)+sin⁡(ln⁡x))+C.\displaystyle \boxed{I=\frac{x}{2}\bigl(\cos(\ln x)+\sin(\ln x)\bigr)+C.} Vérif. [x2(cos⁡(ln⁡x)+sin⁡(ln⁡x))]′=12(cos⁡(ln⁡x)+sin⁡(ln⁡x))+12(−sin⁡(ln⁡x)+cos⁡(ln⁡x))=cos⁡(ln⁡x)\bigl[\tfrac{x}{2}(\cos(\ln x)+\sin(\ln x))\bigr]'=\tfrac12(\cos(\ln x)+\sin(\ln x))+\tfrac12(-\sin(\ln x)+\cos(\ln x))=\cos(\ln x).

Exercice 1010 — aire entre deux courbes

On considère, sur [0,1][0,1], la droite y=xy=x et la courbe y=x e−xy=x\,e^{-x}.

  1. a)

    Justifier que, sur [0,1][0,1], la droite y=xy=x est au-dessus de la courbe y=x e−xy=x\,e^{-x}.

    Pour x∈[0,1]x\in[0,1], on a 0<e−x⩽10<e^{-x}\leqslant 1, donc x e−x⩽xx\,e^{-x}\leqslant x (car x⩾0x\geqslant 0) : la droite y=xy=x est au-dessus de la courbe y=x e−xy=x\,e^{-x}.

  2. b)

    Calculer l'aire A\mathcal{A} du domaine compris entre les deux courbes pour 0⩽x⩽10\leqslant x\leqslant 1.

    L'aire vaut

    A=∫01(x−x e−x)dx=∫01x dx−∫01x e−x dx.\mathcal{A}=\int_{0}^{1}\bigl(x-x\,e^{-x}\bigr)\mathrm{d} x=\int_{0}^{1}x\,\mathrm{d} x-\int_{0}^{1}x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x.

    D'une part ∫01x dx=12\int_{0}^{1}x\,\mathrm{d} x=\tfrac12 ; d'autre part, avec F(x)=−(x+1)e−xF(x)=-(x+1)e^{-x}, ∫01x e−x dx=[−(x+1)e−x]01=−2e−1+1=1−2e−1\int_{0}^{1}x\,e^{-x}\,\mathrm{d} x=\bigl[-(x+1)e^{-x}\bigr]_{0}^{1}=-2e^{-1}+1=1-2e^{-1}. Donc

    A=12−(1−2e−1)=2e−12  u.a. (≈0,236  u.a.).\mathcal{A}=\frac12-\bigl(1-2e^{-1}\bigr)=\boxed{\frac{2}{e}-\frac12\ \,\text{u.a.}}\ (\approx 0{,}236\ \,\text{u.a.}).
Exercice 1111 — trois IPP successives

On veut calculer ∫x3e−x dx\displaystyle \int x^{3}e^{-x}\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    Par une première IPP, ramener le calcul à celui de ∫x2e−x dx\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x.

    U=x3U=x^{3}, V′=e−xV'=e^{-x} (U′=3x2U'=3x^{2}, V=−e−xV=-e^{-x}) :

    ∫x3e−x dx=−x3e−x+∫3x2e−x dx=−x3e−x+3∫x2e−x dx.\int x^{3}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{3}e^{-x}+\int 3x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{3}e^{-x}+3\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x.
  2. b)

    En utilisant ∫x2e−x dx=−(x2+2x+2)e−x+C\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(x^{2}+2x+2)e^{-x}+C, conclure.

    Avec ∫x2e−x dx=−(x2+2x+2)e−x+C\int x^{2}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-(x^{2}+2x+2)e^{-x}+C :

    ∫x3e−x dx=−x3e−x−3(x2+2x+2)e−x+C=−(x3+3x2+6x+6) e−x+C.\int x^{3}e^{-x}\,\mathrm{d} x=-x^{3}e^{-x}-3(x^{2}+2x+2)e^{-x}+C=\boxed{-(x^{3}+3x^{2}+6x+6)\,e^{-x}+C.}
  3. c)

    Vérifier le résultat en le dérivant.

    [−(x3+3x2+6x+6)e−x]′=−(3x2+6x+6)e−x+(x3+3x2+6x+6)e−x=x3e−x\bigl[-(x^{3}+3x^{2}+6x+6)e^{-x}\bigr]'=-(3x^{2}+6x+6)e^{-x}+(x^{3}+3x^{2}+6x+6)e^{-x}=x^{3}e^{-x}.

Exercice 1212 — arctangente sur un intervalle

Soit B=∫01arctan⁡x dx\displaystyle B=\int_{0}^{1}\arctan x\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    Rappeler une primitive de arctan⁡x\arctan x (obtenue par IPP).

    Par IPP (U=arctan⁡xU=\arctan x, V′=1V'=1), une primitive de arctan⁡x\arctan x est xarctan⁡x−12ln⁡(1+x2)\displaystyle x\arctan x-\frac12\ln(1+x^{2}) (niveau Moyen).

  2. b)

    En déduire la valeur exacte de BB.

    Comme arctan⁡1=π4\arctan 1=\tfrac{\pi}{4} et ln⁡(1+12)=ln⁡2\ln(1+1^{2})=\ln 2 :

    B=∫01arctan⁡x dx=[xarctan⁡x−12ln⁡(1+x2)]01=(π4−12ln⁡2)−0=π4−ln⁡22.B=\int_{0}^{1}\arctan x\,\mathrm{d} x=\Bigl[x\arctan x-\frac12\ln(1+x^{2})\Bigr]_{0}^{1} =\Bigl(\frac{\pi}{4}-\frac12\ln 2\Bigr)-0=\boxed{\frac{\pi}{4}-\frac{\ln 2}{2}.}
Exercice 1313 — un travail mécanique

Une force variable de norme F(x)=xcos⁡xF(x)=x\cos x (en newtons) s'exerce le long d'un axe, de x=0x=0 à x=π2x=\tfrac{\pi}{2} (en mètres). Le travail correspondant est W=∫0π/2xcos⁡x dx\displaystyle W=\int_{0}^{\pi/2} x\cos x\,\mathrm{d} x. Calculer WW.

W=∫0π/2xcos⁡x dx\displaystyle W=\int_{0}^{\pi/2} x\cos x\,\mathrm{d} x. Une primitive de xcos⁡xx\cos x est xsin⁡x+cos⁡xx\sin x+\cos x (niveau Facile). Donc

W=[xsin⁡x+cos⁡x]0π/2=(π2⋅1+0)−(0+1)=π2−1  (J).W=\bigl[x\sin x+\cos x\bigr]_{0}^{\pi/2}=\Bigl(\frac{\pi}{2}\cdot 1+0\Bigr)-(0+1)=\boxed{\frac{\pi}{2}-1\ \ (\text{J}).}
Exercice 1414 — suite d'intégrales définies

Pour tout entier n⩾0n\geqslant 0, on pose Kn=∫01xnex dx\displaystyle K_{n}=\int_{0}^{1} x^{n}e^{x}\,\mathrm{d} x.

  1. a)

    Par une IPP, montrer que pour tout n⩾1n\geqslant 1 : Kn=e−n Kn−1\displaystyle K_{n}=e-n\,K_{n-1}.

    IPP avec U=xnU=x^{n}, V′=exV'=e^{x} (U′=nxn−1U'=nx^{n-1}, V=exV=e^{x}) :

    Kn=[xnex]01−∫01nxn−1ex dx=(1⋅e−0)−n∫01xn−1ex dx=e−n Kn−1.K_{n}=\bigl[x^{n}e^{x}\bigr]_{0}^{1}-\int_{0}^{1}nx^{n-1}e^{x}\,\mathrm{d} x=(1\cdot e-0)-n\int_{0}^{1}x^{n-1}e^{x}\,\mathrm{d} x=\boxed{e-n\,K_{n-1}.}
  2. b)

    Calculer K0K_{0}, K1K_{1} et K2K_{2}.

    K0=∫01ex dx=e−1\displaystyle K_{0}=\int_{0}^{1}e^{x}\,\mathrm{d} x=e-1 ; K1=e−1⋅K0=e−(e−1)=1K_{1}=e-1\cdot K_{0}=e-(e-1)=1 ; K2=e−2K1=e−2K_{2}=e-2K_{1}=e-2.

  3. c)

    Montrer que pour tout n⩾0n\geqslant 0 : 1n+1⩽Kn⩽en+1\dfrac{1}{n+1}\leqslant K_{n}\leqslant \dfrac{e}{n+1}, et en déduire lim⁡n→+∞Kn\displaystyle\lim_{n\to+\infty}K_{n}.

    Sur [0,1][0,1], 1⩽ex⩽e1\leqslant e^{x}\leqslant e ; en multipliant par xn⩾0x^{n}\geqslant 0 puis en intégrant sur [0,1][0,1] :

    ∫01xn dx⩽Kn⩽e∫01xn dx,soit1n+1⩽Kn⩽en+1.\int_{0}^{1}x^{n}\,\mathrm{d} x\leqslant K_{n}\leqslant e\int_{0}^{1}x^{n}\,\mathrm{d} x,\qquad\text{soit}\qquad \frac{1}{n+1}\leqslant K_{n}\leqslant \frac{e}{n+1}.

    Comme 1n+1→0\dfrac{1}{n+1}\to 0 et en+1→0\dfrac{e}{n+1}\to 0, le théorème d'encadrement donne lim⁡n→+∞Kn=0\displaystyle\lim_{n\to+\infty}K_{n}=0.