Note de cours de NYB Calcul Intégral. Éric Brunelle

Documents pareils
Chapitre. Chapitre 12. Fonctions de plusieurs variables. 1. Fonctions à valeurs réelles. 1.1 Définition. 1.2 Calcul de dérivées partielles

Fonctions de deux variables. Mai 2011

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Développements limités, équivalents et calculs de limites

La fonction exponentielle

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

Développements limités. Notion de développement limité

Commun à tous les candidats

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Image d un intervalle par une fonction continue

Fonctions de plusieurs variables

Continuité en un point

Etude de fonctions: procédure et exemple

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

3 Approximation de solutions d équations

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

CNAM UE MVA 210 Ph. Durand Algèbre et analyse tensorielle Cours 4: Calcul dierentiel 2

Notes du cours MTH1101 Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

8.1 Généralités sur les fonctions de plusieurs variables réelles. f : R 2 R (x, y) 1 x 2 y 2

6 Equations du première ordre

1 radian. De même, la longueur d un arc de cercle de rayon R et dont l angle au centre a pour mesure α radians est α R. R AB =R.

Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

Mais comment on fait pour...

Résolution d équations non linéaires

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

Chapitre 4: Dérivée d'une fonction et règles de calcul

a et b étant deux nombres relatifs donnés, une fonction affine est une fonction qui a un nombre x associe le nombre ax + b

EXERCICE 4 (7 points ) (Commun à tous les candidats)

I. Ensemble de définition d'une fonction

Cours Fonctions de deux variables

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

OM 1 Outils mathématiques : fonction de plusieurs variables

Complément d information concernant la fiche de concordance

LE PRODUIT SCALAIRE ( En première S )

Dérivation CONTENUS CAPACITÉS ATTENDUES COMMENTAIRES

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 12 avril 2007

Fonctions de plusieurs variables et applications pour l ingénieur

Capes Première épreuve

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

Mesure d angles et trigonométrie

Calcul différentiel sur R n Première partie

Dérivation : cours. Dérivation dans R

Notes du cours MTH1101N Calcul I Partie II: fonctions de plusieurs variables

Chapitre 0 Introduction à la cinématique

Développements limités

Fonctions de plusieurs variables

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

Continuité d une fonction de plusieurs variables

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

Angles orientés et fonctions circulaires ( En première S )

Items étudiés dans le CHAPITRE N5. 7 et 9 p 129 D14 Déterminer par le calcul l'antécédent d'un nombre par une fonction linéaire

Mathématiques I Section Architecture, EPFL

Représentation géométrique d un nombre complexe

Théorie des graphes et optimisation dans les graphes

Équations non linéaires

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

Cours d Analyse I et II

Nombre dérivé et tangente

IV- Equations, inéquations dans R, Systèmes d équations

Maple: premiers calculs et premières applications

Chapitre VI Contraintes holonomiques

Raisonnement par récurrence Suites numériques

Correction du Baccalauréat S Amérique du Nord mai 2007

DOCM Solutions officielles = n 2 10.

Chapitre 1 : Évolution COURS

Chapitre VI Fonctions de plusieurs variables

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 13 avril 2011

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours

Table des matières. I Mise à niveau 11. Préface

DURÉE DU JOUR EN FONCTION DE LA DATE ET DE LA LATITUDE

I. Polynômes de Tchebychev

Corrigé du baccalauréat S Asie 21 juin 2010

Angles orientés et trigonométrie

SSNV143 - Traction biaxiale avec la loi de comportement BETON_DOUBLE_DP

Calcul différentiel. Chapitre Différentiabilité

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Baccalauréat ES Antilles Guyane 12 septembre 2014 Corrigé

Dérivées d ordres supérieurs. Application à l étude d extrema.

Enoncé et corrigé du brevet des collèges dans les académies d Aix- Marseille, Montpellier, Nice Corse et Toulouse en Énoncé.

Continuité et dérivabilité d une fonction

Calcul intégral élémentaire en plusieurs variables

Chapitre III : Fonctions réelles à une variable réelle. Notion de Limite (ses variantes) et Théorèmes d'analyse

Paris et New-York sont-ils les sommets d'un carré?

Equations différentielles linéaires à coefficients constants

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Baccalauréat ES/L Métropole La Réunion 13 septembre 2013 Corrigé

Calcul fonctionnel holomorphe dans les algèbres de Banach

Les travaux doivent être remis sous forme papier.

Baccalauréat ES Pondichéry 7 avril 2014 Corrigé

Partie 1 - Séquence 3 Original d une fonction

1S Modèles de rédaction Enoncés

L ALGORITHMIQUE. Algorithme

Cours3. Applications continues et homéomorphismes. 1 Rappel sur les images réciproques

Simulation Matlab/Simulink d une machine à induction triphasée. Constitution d un référentiel

Transcription:

Note e cours e NYB Calcul Intégral Éric Brunelle

Table es matières Introuction Chapitre. Dérivation implicite et règle e L Hospital 3. Rappels sur la érivation 3. Règle e L Hospital 6 Chapitre. Différentielles et primitives e base 9. Différentielle une fonction 9. Intégrales inéfinies e base Annexe A. Propriétés es ites 7. Propriétés es ites 7 Annexe B. Formules e érivation 9 3

CHAPITRE Dérivation implicite et règle e L Hospital Dans ce chapitre, nous revenons sur quelques techniques e érivation, notamment la érivation e fonctions implicites et la érivation logarithmique. Par la suite, nous étuions comment lever es inéterminations à l aie e la règle e L Hospital.. Rappels sur la érivation Nous ne revienrons pas sur les règles e érivation. Elles sont expliquées ans le premier cours e calcul. Pour ce qui est es formules e érivation, elles sont présentées ans l annexe B... Dérivation implicite. On se rappelle que la érivée une fonction y = f(x) évaluée en x = a, que l on note f (a) ou f, x x=a correspon à la pente e la roite tangente à la fonction en x = a. Exemple.. Trouvons l équation e la roite tangente à la courbe f(x) = x 3 x en x =. On sait que l équation une roite est e la forme Trouvons tout abor f (x). y = mx + k, où m = f (). f (x) = [x 3 x] = 3x Ainsi, m = f () = 3 =. On a alors y = x + k. Puisque la roite passe par le point (, f()) = (, ), on obtient = + k k = L équation e la roite tangente est y = x. Par contre, ce n est pas toujours aussi facile e éterminer la pente e la tangente si la courbe n est pas éfinie par y = f(x). L exemple classique est e éterminer l équation e la tangente au cercle e rayon 3

4. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL en x =. Ici, la courbe est éterminée une manière implicite par l équation x + y =. y n est onc pas une fonction e x, car pour une valeur e x, il y a eux valeurs possibles pour y. Il faura onc utiliser la érivation implicite afin e trouver la pente. Cela signifie que l on pren les eux côtés e l équation et on les érive par rapport à x. Cepenant, il est important e se ire que y épen e x. Ainsi, on ne peut pas prenre cette variable comme une constante. x [x + y ] = x [] x + y y = On voit que x y = y y. Ce résultat provient e la règle e érivation en chaîne. Posons g y = y. Ainsi, x g y = g y y x = y y Règle e érivation en chaîne. Il ne reste plus qu à isoler y (x) et à l évaluer au point (, ± 3 ). Ainsi, y ( ) = 3. x + y y = y y = x y m = 3 x m = 3

. RAPPELS SUR LA DÉRIVATION 5.. Dérivation logarithmique. La méthoe e la érivation logarithmique sert ans les cas où la fonction y(x) est e la forme y(x) = f(x) g(x), où f(x) >. L astuce pour trouver y (x) consiste tout abor à prenre le logarithme naturel es eux côtés e l équation. Par la suite, on effectue une érivation implicite. Finalement, on isole y (x). y(x) = f(x) g(x) ln y = ln ä f(x) g(x)ç ln y = g(x) lnf(x) ln y(x) = x x y [g(x) lnf(x)] Loi es log. y = g (x) ln f(x) + g(x) f (x) f(x) æ y = y g (x) ln f(x) + g(x) f (x) f(x) æ y = f(x) g(x) Regarons cette méthoe avec un exemple. Ainsi, Exemple.. Déterminez la érivée e y(x) = cos x x 3 x å è cos x x 3 x ln y = ln g (x) ln f(x) + g(x) f (x) f(x) y(x) = cos x x 3 x. x ln y = ä ç x (x3 x) ln cos x y ä ç y = (3x ) ln cos x + (x 3 cosxsin x x) cos x y = cos x x 3 x ä ä ç ç (3x ) ln cos x (x 3 x) tanx Un exemple classique est e éterminer la érivée e f(x) = x x avec x >. é é.

6. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL Exemple.3. Trouver f (x) si f(x) = x x avec x >. y(x) = x x ln y = x ln x x ln y = x x ln x y y = ln x + x x y = x x [ln x + ] Cette technique revienra bientôt lorsque vienra le temps e lever certaines inéterminations ans es ites.. Règle e L Hospital.. Introuction. Dans le premier cours e calcul, nous avons étuié comment éterminer la valeur e certaines ites. Celle-ci épen e la forme e la ite lorsqu on l évalue. Le tableau suivant montre la valeur e la ite selon cette forme. Ici, k est une constante positive (k > ). Forme Valeur e la ite Forme Valeur e la ite k + + k + ±k + k k + ±k + + + + ± k + ± k ±k(+ ) ± ±k( ) (+ ) k + Tab.. Valeur e ifférentes ites.

. RÈGLE DE L HOSPITAL 7 Il est important e noter que certaines formes ne sont pas ans ce tableau :, ± ±,, ±,, (+ ), et ±. Afin e lever ces inéterminations, c est-à-ire obtenir l une es formes précéentes ou obtenir une valeur fixe, on oit faire certaines manipulations algébriques et utiliser certaines astuces... Inétermination e la forme. Étuions maintenant comment lever es inéterminations e la forme. Exemple.4. Déterminons la valeur e la ite suivante : x 9. x 3 x 9 Pour résoure ce problème, on oit multiplier par le conjugué. x 9 x 9 x + 3 = x 9 x 3 x 9 x 3 x + 3 = x 9 (x 9)( x + 3) x 9 = x 9 x + 3 = 9 + 3 = 6 Cepenant, il arrive que les astuces soient un peu plus complexes. Le prochain problème en est un bon exemple. Exemple.5. Déterminez la valeur, si elle existe, e la ite sin x x x. La procéure pour trouver cette ite se fait en eux temps. En premier, on oit émontrer que sin x < x < tan x x ], π/[. Par la suite, il suffit e jouer avec cette inégalité et utiliser le théorème u genarme. Débutons par la petite émonstration. Soit la construction ans le premier quarant u cercle trigonométrique :

8. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL Q R O x M N La preuve se fait en quatre étapes. Étape : Déterminons les mesures es segments OM, MQ et NR en fonction e x. Puisque OQ = et ON = (rayons u cercle), on a cosx = OM, sin x = MQ, tan x = NR. Étape : Calculons l aire es triangles OQN et ORN. On sait que l aire un triangle correspon à la moitié u prouit e sa base et e sa hauteur. Ainsi, ON MQ A( OQN) = ON NR A( ORN) = = sin x, = tanx. Étape 3: Calculons l aire e la section e cercle éitée par ONQ. A s =.5 angle rayon = x. Étape 4: On peut maintenant conclure. Par la construction, on a que où A( OQN) < A s < A( ORN), sin x < x < tan x sin x < x < tanx. On est maintenant en mesure e manipuler cette inéquation pour trouver la ite cherchée. Tout abor, ivisons la ouble inégalité par sin x. Cette opération, tout comme l inéquation, n est valie que si x ], π/[. Ainsi, < x sin x < tan x sin x = cosx

Puisque. RÈGLE DE L HOSPITAL 9 = et x + x + cos x = on peut affirmer par le théorème es genarmes (voir annexe A) que x + Ce résultat signifie également que car si alors x sin x =. sin x x + x =, f(x) x a g(x) = L, g(x) x a f(x) = L. Il ne reste plus qu à émontrer que la ite à gauche est également. L inégalité que nous avons émontrée n est valie que si x >. Cepenant, nous avons besoin e éterminer sin x x x. Pour ce faire, on utilise le fait que la fonction f(x) = sin x est une x fonction paire, c est-à-ire que f( x) = f(x). f( x) = sin( x) x = sin x x = sin x x = f(x). Ainsi, lorsque x + revient à x. D où, sin x x x =. L astuce pour lever l inétermination est assez complexe et longue. Le théorème suivant permettra e simplifier la méthoe et sera très utile pour évaluer es ites. Théorème. (Règle e L Hospital). Soient eux fonctions continues sur l intervalle [x, x ] telles que ) pour a [x, x ], f(x) = et g(x) =, x a x a ) f (x) et g (x) sont continues en x = a,

. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL alors 3) g (x), x ]x, x [\{a}, si cette ite existe ou est infinie. f(x) x a g(x) = f (x) x a g (x), Démonstration. f(x) x a g(x) = f(x) f(a) x a g(x) g(a) f(x) f(a) á car f(a) = g(a) = par hypothèse e continuité = x a x a g(x) g(a) x a ivision u numérateur et u énominateur = f(x) f(a) x a x a x a = f (a) g (a) f (x) = x a g (x) g(x) g(a) x a la ite un quotient est le quotient es ites par éfinition e la érivée si g (a) car les érivées sont continues en x = a Lorsque g (a) =, il y a eux possibilités. Si f (a) : alors, la ite est ± ou n existe pas selon le cas. Si f () = : alors, on retrouve une inétermination e la forme. Habituellement, on ne vérifie pas les hypothèses ) et 3). On le fait seulement lorsque les fonctions sont un peu bizarres, ce qui ne sera pas le cas ans ce cours. Revenons à l exemple que nous avons vu plus tôt.

. RÈGLE DE L HOSPITAL Exemple.6. Déterminer, si elle existe, la valeur e la ite suivante : sin x x x. Utilisons la règle e L Hospital, mais il faut abor vérifier la première hypothèse. Cela se fait si on obtient une inétermination. sin x x x R.H. cosx = x = cos =. In Exemple.7. Déterminez la ite suivante : x x +. x Nous avons une inétermination e la forme. Nour pouvons onc utiliser la règle e L Hospital. x x + x R.H. = x (x + ) / = = ( + ) / Le prochain exemple montre que l on peut utiliser plusieurs fois la règle e L Hospital pour évaluer une ite. Exemple.8. Déterminons la valeur, si elle existe, la ite suivante : x sin x. x x 3

. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL Débutons : x sin x In x x 3 R.H. = x cos x 3x encore une In R.H. sin x = x 6x R.H. cosx = x 6 = 6. Regarons un ernier exemple. encore une In Exemple.9. Déterminer, si elle existe, la ite suivante : sin x x x. Puisque nous avons une inétermination e la forme, on peut utiliser la règle e L Hospital. Ainsi, sin x x x R.H. cosx = x x. Pour évaluer cette ite, nous ne pouvons pas utiliser L Hospital, car la forme n est pas, mais e. Pour trouver cette ite, nous evons étuier la ite à gauche et à roite. cosx x x cos x x + x = car, = + car +. Comme la ite à gauche est ifférente e la ite à roite, la ite n existe pas..3. Inétermination e la forme ±. Comme nous venons e ± le voir, la règle e L Hospital s applique aux cas inéterminations e la forme. On peut émontrer que cette règle est également valie pour es inéterminations e la forme ±. La preuve nécessite es notions ± plus avancées, on prenra onc le résultat pour acquis.

Exemple.. Trouvons. RÈGLE DE L HOSPITAL 3 ln x x + x. Nous avons une inétermination e la forme. On peut onc utiliser la règle e L Hospital. ln x x + x Regarons un autre exemple. R.H. = x + = x + x = Exemple.. Déterminons la ite suivante : tan x x π + sec x. Encore une fois, nous avons une inétermination e la forme. Ainsi, tanx x π + sec x R.H. x sec x = x π sec x tan x sec x = x π tan x = x π sin x =..4. Intétermination e la forme. Lorsque l inétermination est e la forme, on ne peut pas appliquer irectement la règle e L Hospital. On oit tout abor manipuler l expression afin obtenir une inétermination e la forme fait intervenir la règle e L Hospital. ou ± ±. Par la suite, on Exemple.. Trouver, si elle existe, la ite suivante : x + x. x

4. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL On obtient une inétermination e la forme. Manipulons l expression afin e pourvoir utiliser la règle e L Hospital. x + x x x = x x + x In x R.H. = x + x 3 x x = x + x 3 x 4 x = x + 6x = + car + Exemple.3. Déterminer la valeur e ln(x + 3) ln(x 5). x Nous avons une inétermination e la forme. x + 3 ln(x + 3) ln(x 5) = ln x x x 5 = ln R.H. = ln x x x + 3 x 5 car la fonction ln est continue. In = ln.5. Inétermination e la forme ±. Lorsque nous nous retrouvons en présence une inétermination e la forme ±, il faut manipuler l expression afin obtenir une inétermination e la forme ou ± ±. Par la suite, on applique la règle e L Hospital. Exemple.4. Déterminons la valeur e x sin x x.

. RÈGLE DE L HOSPITAL 5 Manipulons l expression, puisque nous avons une inétermination e la forme. x sin x x = sin x x x R.H. = x x cos x x = x cos x = cos = In.6. Inéterminations e la forme, (+ ), et ±. Dans ces trois cas inétermination, la technique pour les lever est la même. Il s agit e la même astuce que celle utilisée lors e la érivation logarithmique. Supposons que l on veut éterminer la valeur e la ite suivante : Voici les étapes à effectuer : Étape : On pose x a f(x)g(x). y = x a f(x) g(x). Étape : On pren le ln es eux côtés. Ainsi, ln y = ln x a f(x) g(x) = ln f(x) g(x) x a = g(x) lnf(x) x a car la fonction ln est continue. Propriété es log. Étape 3: On étermine cette ite, en manipulant l expression et en utilisant la règle e L Hospital. N oublions pas que celle-ci est seulement valie pour es inéterminations e la forme ou ± ±. Posons L cette ite si elle existe. Étape 4: On retrouve la valeur e y qui correspon à la réponse ésirée. Regarons quelques exemples. Exemple.5. Trouvons la valeur e la ite suivante : x + x x.

6. DÉRIVATION IMPLICITE ET RÈGLE DE L HOSPITAL Ici, nous avons une inétermination e la forme. Posons y, cette ite. Ainsi, ln y = ln x + x ln y = x ln ln y = x x ln + x x x + x ln + x ln y = x ln y R.H. = x x ln y = x + x ln y = y = e x + x x Exemple.6. Trouver, si elle existe, x xx. + Nous avons une inétermination e la forme. y = ln y = ln x + xx x xx + ln y = ln xx car x + ln y = x ln x ln y = x + ln y R.H. = x + + x ln x (In ) x ln y = x + x ln y = y = e = x x (In ) In la fonction ln est continue. In + C est le même principe lorsque nous avons une inétermination e la forme (+ ).

. RÈGLE DE L HOSPITAL 7.7. En Résumé. Voici un résumé es ifférentes formes inétermination et la façon e les lever. Formes intétermination Méthoe pour lever les inéterminations Utiliser irectement la règle e L Hospital. ± ± -Utiliser irectement la règle e L Hospital. -Manipuler l expression pour obtenir une inétermination ± ou. ± -Utiliser la règle e L Hospital. ± -Manipuler l expression pour obtenir une inétermination ± ou. ± -Utiliser la règle e L Hospital. -Poser la ite égale à y. -Prenre le ln es eux côtés e l égalité., (+ ), ± -Manipuler l expression pour obtenir une inétermination ± ou. ± -Utiliser la règle e L Hospital. -À la fin, on retrouve la valeur e y. Tab.. Résumé es méthoes pour lever ifférentes inéterminations.

ANNEXE A Propriétés es ites. Propriétés es ites k = k x a x = a x a x a x a k Ê [f(x) ± g(x)] = f(x) ± x a [f(x) g(x)] = x a g(x) = f(x) x a f(x) x a x a g(x) x a g(x) f(x) x a g(x) Théorème A.. Soit une fonction f(x). On a que si et seulement si x a f(x) = L x a x a f(x) = L ET f(x) = L. + Théorème A. (Théorème es genarmesou sanwich). Soit trois fonctions telles que Si alors f(x) g(x) h(x) f(x) = h(x) = L x c x c g(x) = L. x c x [a, b]. c ]a, b[, 7

ANNEXE B Formules e érivation Définition e la érivée. f (x) = h f(x + h) f(x) h Propriétés e la érivée. x [kf(x)] = kf (x) x [f(x) ± g(x)] = f (x) ± g (x) x [f(x)g(x)] = f (x)g(x) + f(x)g (x) f(x) = f (x)g(x) f(x)g (x) x g(x) [g(x)] si g(x) g g(f(x)) = x f f x Formules e érivation e base. (k) x = (x) x = x [f(x)]n = n[f(x)] n f (x) x ln(f(x)) = f (x) f(x) x ef(x) = f (x)e f(x) 9

3 B. FORMULES DE DÉRIVATION Formules e érivation e fonctions trigonométriques. x sin(f(x)) = cos(f(x)) f (x) x cos(f(x)) = sin(f(x)) f (x) x tan(f(x)) = sec (f(x)) f (x) x cot(f(x)) = csc (f(x)) f (x) x sec(f(x)) = sec(f(x))tan(f(x)) f (x) x csc(f(x)) = csc(f(x))cot(f(x)) f (x) Formules e érivation e fonctions trigonométriques inverses. x arcsin(f(x)) = f (x) [f(x)] x arccos(f(x)) = f (x) [f(x)] x arctan(f(x)) = f (x) + [f(x)] x arccot(f(x)) = f (x) + [f(x)] x arcsec(f(x)) = f (x) f(x) [f(x)] x arccsc(f(x)) = f (x) f(x) [f(x)]