Une fonction $f$ définie sur un intervalle $I=[a;b]$ $(a\leq b)$ est en escalier lorsqu'il existe $n+1$ nombres réels $x_i\in[a;b]$ tels que $x_0=a$, $x_n=b$ et $x_0;x_1;x_2;...;x_{n-1};x_n$ n+1 nombres strictement rangés par ordre croissant et tels que $f$ est constante sur chaque intervalle ouvert $]x_i;x_{i+1}[$, pour $0\leq i\leq n-1$.
Soit $f$ une fonction continue, il existe deux suites de fonctions en escalier $(g_n)$ et $(h_n)$ telles que pour tout $n\in\mathbb{N}$ et tout $x\in[a;b]$, on a $g_n(x)\leq f(x)\leq h_n(x)$.
De plus on a: $\displaystyle\lim_{n\to+\infty}I(g_n)=\displaystyle\lim_{n\to+\infty}I(h_n)=l.$
De plus si il existe deux autres suites de fonctions $(g'_n)$ et $(h'_n)$ en escalier encadrant $f$, on démontre aussi que:
$\displaystyle\lim_{n\to+\infty}I(g'_n)=\displaystyle\lim_{n\to+\infty}I(h'_n)=l.$
La limite $l$ est l'intégrale de $f$ sur $[a;b]$ $(a\leq b)$. On note: $l=\displaystyle\int_a^bf(t)dt$.
Soit $f$ une fonction continue et positive sur un intervalle $[a;b]$ et soit $\mathcal{C}_f$ la courbe représentative de $f$
dans un repère orthonormée $\mathcal{R}(O;\vec{i};\vec{j})$.
L'aire sous la courbe est l'aire du domaine limité par la $\mathcal{C}$, l'axe des abscisses et les droites verticales $x=a$ et $x=b$.
L'aire s'exprime en unité d'aire et l'unité d'aire est l'aire du rectangle $OIJK$ des unités.
L'intégrale de $f$ de $[a;b]$, notée $\displaystyle\int_a^bf(x)dx$ est l'aire sous la courbe sur l'intervalle $[a;b]$.
Interprétation graphique.
Soit $f$ la fonction définie sur $[0;1]$ par $f(x)=\dfrac{1}{1+x^2}$.
$\mathcal{C}_f$ est la courbe représentative de $f$ dans repère orthogonal.
On découpe l'intervalle $[0;1]$ en $n$ intervalles réguliers à l'aide des nombres $x_0=0;x_1=\dfrac{1}{n};x_2=\dfrac{2}{n};...;x_{n-1}=\dfrac{n-1}{n};x_n=1$.
Comme la fonction $f$ est décroissante sur $[0;1]$, on pourrais démontrer que:
$\dfrac{1}{10}\bigg(f(0.1)+f(0.2)+...f(0.9)+f(1)\bigg) < \displaystyle\int_0^1 \dfrac{1}{1+x^2}dx$ $ < \dfrac{1}{10}\bigg(f(0)+f(0.1)+...f(0.8)+f(0.9)\bigg)$.
Calculons l'intégrale $\displaystyle\int_0^1\dfrac{e^x}{e^x+1}dx$.
Recherchons une primitive de $f(x)=\dfrac{e^x}{e^x+1}$ définie sur $\mathbb{R}$. On remarque que cette fonction est de la forme $\dfrac{u'}{u}$.
En effet pour tout $x\in\mathbb{R}$, on a $f(x)=\dfrac{u'(x)}{u(x)}$, avec $u(x)=e^x+1$.
Donc la fonc $F(x)=\ln(e^x+1)$ est une primitive de $f$ sur $\mathbb{R}$,
donc $\displaystyle\int_0^1\dfrac{e^x}{e^x+1}dx=\bigg[\ln(e^x+1)\bigg]_0^1$ $=\ln(e+1)-ln(2)=ln\bigg(\dfrac{e+1}{2}\bigg)$.
Calculer les intégrales suivantes et donner une interprétation graphique.
Soient $f$ et $g$ deux fonctions continues sur l'intervalle $[a;b]$ et $\alpha\in\mathbb{R}$, on a:
Soit $f$ une fonction continue et positive sur $[a;b]$.
Pour tout $c\in[a;b]$, on a: $\displaystyle\int_a^bf(t)dt=\int_a^cf(t)dt+\int_c^bf(t)dt.$
Interprétation graphique.
Soit $f$ une fonction continue et positive sur $[a;b]$, nous savons d'après le théorème fondamental précédent qu'il existe une primitive $F$ de $f$
sur l'intervalle $[a;b]$.
On a $\displaystyle\int_a^cf(t)dt+\displaystyle\int_c^bf(t)dt=\bigg[F(t)\bigg]_a^c+\bigg[F(t)\bigg]_c^b$
$=\bigg(F(c)-F(a)\bigg)+\bigg (F(b)-F(c)\bigg )$ $=F(b)-F(a)=\displaystyle\int_a^b f(t)dt$.
Calculons l'intégrale $\displaystyle\int_{-2}^2|x^2-1|dx$.
Pour calculer nous devons exprimer $f(x)=|x^2-1|$ sans les barres de valeurs absolues. Nous avons:
Interprétation graphique.
Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$, et soit $m$ et $M$ un minorant et un majorant de $f$ sur $[a;b]$.
Donc pour tout $x\in [a;b]$, on a $m\leq f(x)\leq M$ $\Rightarrow$ $\displaystyle\int_a^b mdx\leq\displaystyle\int_a^bf(x)dx\leq\displaystyle\int_a^b Mdx$, donc
$m(b-a)\leq\displaystyle\int_a^bf(x)dx\leq M(b-a)$
Soit $f$ une fonction continue sur un intervalle $I$, et soit $m$ et $M$ un minorant et un majorant de $f$ sur $[a;b]$.
On a l'inégalité suivante: $m(b-a)\leq\displaystyle\int_a^bf(t)dt\leq M(b-a)$.
Interprétation graphique.
Soient $u$ et $v$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$, telles que u' et v' soient continues sur $I$.
Pour tout $a\in I$ et $b\in I$, $a < b$, alors:
$\displaystyle\int_a^b(u'(x)\times v(x)dx=\bigg[u(x)\times v(x)\bigg]_a^b-\displaystyle\int_a^b u(x)\times v'(x)dx$.
Comme les fonctions $u$ et $v$ deux fonctions dérivables sur un intervalle $I$ de $\mathbb{R}$, on a:
$(u\times v)'(x)=u'(x)\times v(x)+u(x)\times v'(x)$, donc on a $\displaystyle\int_a^b (u\times v)'(x)dx=\displaystyle\int_a^b (u'(x)\times v(x)+u(x)\times v'(x))dx$, donc
$\displaystyle\int_a^b (u\times v)'(x)dx=\displaystyle\int_a^b u'(x)\times v(x)+\displaystyle\int_a^b u(x)\times v'(x)dx$.
Il est clair qu'une primitive possible de la fonction $g(x)=(u\times v)'(x)$ est la fonction $G(x)=u(x)\times v(x)$, donc nous avons l'égalité suivante:
$\displaystyle\int_a^b(u(x)\times v(x))'dx=\bigg[u(x)\times v(x)\bigg]_a^b$.
Donc $\bigg[u(x)\times v(x)\bigg]_a^b=\displaystyle\int_a^b u'(x)\times v(x)+\displaystyle\int_a^b u(x)\times v'(x)dx$.
Donc Pour tout $a\in I$ et $b\in I$, $a < b$, alors:
$\displaystyle\int_a^b(u'(x)\times v(x)dx=\bigg[u(x)\times v(x)\bigg]_a^b-\displaystyle\int_a^b u(x)\times v'(x)dx$.
Calculons l'intérale $\displaystyle\int_1^e x\times\ln(x)dx$.
Utilisons une intégration par partie, puisque il difficile d'obtenir rapidemant une primitive de la fonction $f$ définie par
$f(x)=x\ln(x)$ sur $]0;+\infty[$.
On ne connâit pas directememt la primitive de $ln(x)$, il vaut mieux rechercher une primitive de $x$, donc on pose: