Mécanique 2 · Tutoriel

Intégration par parties

La mécanique à maîtriser avant de passer aux exercices.

*Tutoriel — L'intégration par parties (IPP)

Certaines fonctions n'ont aucune primitive dans le formulaire du Thème 1 : x exx\,e^x, xcos⁡xx\cos x, ln⁡x\ln x, arctan⁡x\arctan x… Ce sont des produits (ou des fonctions « isolées » comme ln⁡x\ln x) que l'on intègre grâce à une seule technique universelle : l'intégration par parties. Elle n'est rien d'autre que la dérivée d'un produit lue à l'envers.

L'essentiella formule et d'où elle vient

On part de la dérivée d'un produit : (UV)′=U′V+UV′(UV)'=U'V+UV'. En passant aux différentielles puis en intégrant, ∫d(UV)=∫V dU+∫U dV\displaystyle\int \mathrm{d}(UV)=\int V\,\mathrm{d} U+\int U\,\mathrm{d} V, c'est-à-dire UV=∫V dU+∫U dVUV=\int V\,\mathrm{d} U+\int U\,\mathrm{d} V. En isolant la deuxième intégrale :

  ∫U dV  =  U V−∫V dU.  \boxed{\;\int U\,\mathrm{d} V \;=\; U\,V-\int V\,\mathrm{d} U.\;}

On choisit UU (qu'on va dériver) et V′V' (qu'on va intégrer, avec dV=V′ dx\mathrm{d} V=V'\,\mathrm{d} x). Le pari : que la nouvelle intégrale ∫V dU\int V\,\mathrm{d} U soit plus simple que celle de départ.

Comment choisir UU et V′V' ?

Tout le succès tient au bon choix. On prend pour UU (la fonction que l'on dérive) celle qui apparaît le plus à gauche dans l'ordre de priorité suivant — retenu par le mnémo « L.I.A.T.E. » :

L⏟ln⁡, log⁡ > I⏟arcsin⁡, arctan⁡ > A⏟xn, polynoˆmes > T⏟sin⁡, cos⁡ > E⏟ex, ax.\underbrace{\text{L}}_{\ln,\ \log}\ >\ \underbrace{\text{I}}_{\arcsin,\ \arctan}\ >\ \underbrace{\text{A}}_{x^n,\ \text{polynômes}}\ >\ \underbrace{\text{T}}_{\sin,\ \cos}\ >\ \underbrace{\text{E}}_{e^x,\ a^x}.

Pourquoi cet ordre ? Un polynôme dérivé perd un degré (et finit par disparaître) ; un ln⁡\ln ou un arctan⁡\arctan dérivé devient une fraction algébrique bien plus commode ; à l'inverse, sin⁡\sin, cos⁡\cos, exe^x s'intègrent sans se compliquer, on les met donc en V′V'.

Méthodedérouler une IPP en 4 gestes
  1. Choisir UU (règle L.I.A.T.E.) et V′V' (tout le reste) ; calculer U′U' (donc dU=U′ dx\mathrm{d} U=U'\,\mathrm{d} x) et V=∫V′ dxV=\int V'\,\mathrm{d} x.
  2. Appliquer ∫U dV=UV−∫V dU\displaystyle\int U\,\mathrm{d} V=UV-\int V\,\mathrm{d} U.
  3. Simplifier la nouvelle intégrale (parfois il faut une deuxième IPP, ou résoudre une équation en II).
  4. Vérifier en dérivant le résultat : on doit retomber sur l'intégrande.
Exemplele cas d'école : ∫x ex dx\displaystyle\int x\,e^x\,\mathrm{d} x

Choix. U=xU=x (algébrique, à dériver) et V′=exV'=e^x (exponentielle, à intégrer), donc U′=1U'=1 et V=exV=e^x.

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

Vérification. [(x−1)ex]′=ex+(x−1)ex=x ex\bigl[(x-1)e^x\bigr]'=e^x+(x-1)e^x=x\,e^x. Le produit de départ est devenu l'intégrale immédiate ∫ex dx\int e^x\,\mathrm{d} x : c'est tout l'intérêt d'avoir dérivé xx en 11.

Exempleln⁡x\ln x, qui n'a pas de primitive « directe »

On écrit ln⁡x=1⏟V′⋅ln⁡x⏟U\ln x=\underbrace{1}_{V'}\cdot\underbrace{\ln x}_{U} : ici U=ln⁡xU=\ln x (priorité L !) et V′=1V'=1, donc U′=1xU'=\tfrac1x et 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.}

Vérification. [xln⁡x−x]′=ln⁡x+x⋅1x−1=ln⁡x\bigl[x\ln x-x\bigr]'=\ln x+x\cdot\tfrac1x-1=\ln x.

Remarquequand l'IPP « tourne en boucle »

Pour I=∫exsin⁡x dx\displaystyle I=\int e^x\sin x\,\mathrm{d} x, aucune IPP ne simplifie vraiment : deux IPP successives ramènent la même intégrale II. On obtient alors une équation du type I=(…)−II=(\ldots)-I que l'on résout pour trouver II. Reconnaître cette situation évite de tourner en rond (voir Difficile).

Attentiondeux pièges classiques
  • Le signe −- de la formule (−∫V dU-\int V\,\mathrm{d} U) est oublié une fois sur deux : écrivez-le tout de suite.
  • Le mauvais choix U↔V′U\leftrightarrow V' complique l'intégrale au lieu de la simplifier. En cas de doute, essayez ; si ∫V dU\int V\,\mathrm{d} U est pire que l'intégrale de départ, inversez les rôles.
Ensuite, 3 niveaux d'exercices :
FacileMoyenDifficile
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