Physique-chimie et mathématiquesChapitre 6

Composition de fonctions et calcul intégral

L'essentiel en 30 secondes

Deux outils s'articulent dans ce chapitre. D'abord la COMPOSITION : $v \circ u$ enchaîne deux fonctions ($u$ puis $v$), et sa dérivée est $(v \circ u)' = u' \times (v' \circ u)$ — d'où les formules $\left(u^n\right)' = n\,u'\,u^{n-1}$, $(e^u)' = u'e^u$, $(\ln u)' = \dfrac{u'}{u}$, $(\cos u)' = -u'\sin u$. En lisant ces formules à l'envers, on obtient les PRIMITIVES des formes $u'u^n$, $\dfrac{u'}{u}$, $u'e^u$, $u'\cos u$, $u'\sin u$ et $f(ax+b)$. Ensuite le CALCUL INTÉGRAL : $\int_a^b f(x)\,dx$ est l'aire (algébrique) sous la courbe, approchable par la méthode des rectangles, et se calcule…

Les notions à connaître

Composée de deux fonctions
La composée vuv \circ u applique d'abord uu puis vv : (vu)(x)=v(u(x))(v \circ u)(x) = v(u(x)). Savoir DÉCOMPOSER une expression en fonctions simples est la clé des dérivées et primitives. Exemple : h(x)=ex2h(x) = e^{x^2} est la composée vuv \circ u avec u(x)=x2u(x) = x^2 puis v(x)=exv(x) = e^x, donc h(3)=e98100h(3) = e^9 \approx 8100.
Dérivée d'une composée
(vu)=u×(vu)(v \circ u)' = u' \times (v' \circ u) : on dérive la fonction extérieure au point u(x)u(x) et on multiplie par la dérivée intérieure u(x)u'(x). Exemple : pour h(x)=ex2h(x) = e^{x^2}, h(x)=2xex2h'(x) = 2x\,e^{x^2}, donc h(1)=2e5,44h'(1) = 2e \approx 5{,}44.
Dérivées composées usuelles
Quatre formules à connaître par cœur : (un)=nuun1\left(u^n\right)' = n\,u'\,u^{n-1}, (eu)=ueu(e^u)' = u'\,e^u, (lnu)=uu(\ln u)' = \dfrac{u'}{u} (pour uu strictement positive), (cosu)=usinu(\cos u)' = -u'\sin u et (sinu)=ucosu(\sin u)' = u'\cos u. Exemple : (ln(3x+1))=33x+1\left(\ln(3x+1)\right)' = \dfrac{3}{3x+1}, qui vaut 34\dfrac{3}{4} en x=1x = 1.
Primitives des formes composées
En lisant les dérivées à l'envers : une primitive de uunu'u^n est un+1n+1\dfrac{u^{n+1}}{n+1} (pour n1n \neq -1), de uu\dfrac{u'}{u} est lnu\ln u (uu strictement positive), de ueuu'e^u est eue^u, de ucosuu'\cos u est sinu\sin u et de usinuu'\sin u est cosu-\cos u ; une primitive de f(ax+b)f(ax+b) est 1aF(ax+b)\dfrac{1}{a}F(ax+b). Exemple : une primitive de 2xex22x\,e^{x^2} est ex2e^{x^2} (on reconnaît ueuu'e^u avec u=x2u = x^2).
Intégrale et aire sous la courbe
Pour ff positive sur [a;b][a\,;b], abf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx est l'aire sous la courbe (en unités d'aire), approchable par la méthode des rectangles : i=1nf(xi)Δxi\sum_{i=1}^{n} f(x_i)\,\Delta x_i. Pour ff négative, l'intégrale est négative (aire comptée algébriquement), et ab=ba\int_a^b = -\int_b^a si aa est supérieur à bb. Exemple : 01xdx=12\int_0^1 x\,dx = \dfrac{1}{2}, aire du triangle sous la droite y=xy = x.
Calcul avec une primitive
Si FF est une primitive de ff sur [a;b][a\,;b], alors abf(x)dx=F(b)F(a)\int_a^b f(x)\,dx = F(b) - F(a), noté [F(x)]ab\left[F(x)\right]_a^b. La fonction F(x)=axf(t)dtF(x) = \int_a^x f(t)\,dt est la primitive de ff qui s'annule en aa. Exemple : 01exdx=[ex]01=e11,72\int_0^1 e^x\,dx = \left[e^x\right]_0^1 = e - 1 \approx 1{,}72.
Propriétés de l'intégrale
Linéarité : ab(αf+βg)=αabf+βabg\int_a^b (\alpha f + \beta g) = \alpha\int_a^b f + \beta\int_a^b g ; positivité : si f0f \geqslant 0 sur [a;b][a\,;b] alors l'intégrale est positive ; croissance : si fgf \leqslant g alors abfabg\int_a^b f \leqslant \int_a^b g ; relation de Chasles : ac=ab+bc\int_a^c = \int_a^b + \int_b^c. Exemple : 02x2dx=01x2dx+12x2dx=13+73=83\int_0^2 x^2\,dx = \int_0^1 x^2\,dx + \int_1^2 x^2\,dx = \dfrac{1}{3} + \dfrac{7}{3} = \dfrac{8}{3}.
Valeur moyenne et aire entre deux courbes
La valeur moyenne de ff sur [a;b][a\,;b] est μ=1baabf(x)dx\mu = \dfrac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx : c'est la hauteur du rectangle de base bab-a ayant la même aire que celle sous la courbe. Si fgf \geqslant g sur [a;b][a\,;b], l'aire entre les deux courbes vaut ab(f(x)g(x))dx\int_a^b \left(f(x) - g(x)\right)dx. Exemple : la valeur moyenne de x2x^2 sur [0;3][0\,;3] vaut 1303x2dx=13×9=3\dfrac{1}{3}\int_0^3 x^2\,dx = \dfrac{1}{3} \times 9 = 3.

Les erreurs à éviter en physique-chimie et mathématiques

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

  1. Quelle est la dérivée de f(x)=e2x+1f(x) = e^{2x+1} ?
  2. Que vaut 012xdx\int_0^1 2x\,dx ?
  3. La fonction h(x)=ln(x2+1)h(x) = \ln\left(x^2+1\right) est la composée vuv \circ u. Quelles sont les fonctions uu et vv ?
  4. Quelle est une primitive de f(x)=33x+2f(x) = \dfrac{3}{3x+2} sur ]23;+[\left]-\dfrac{2}{3}\,;+\infty\right[ ?
  5. Que vaut 0π/2cosxdx\int_0^{\pi/2} \cos x\,dx ?

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