Dans cette leçon, f et g sont continues sur un intervalle I, et a, b, c sont des réels de I.
5.1 La relation de Chasles
Propriété.
∫abf(x)dx+∫bcf(x)dx=∫acf(x)dx.
Démonstration. (F(b)−F(a))+(F(c)−F(b))=F(c)−F(a).
Pour f≥0 et a≤b≤c, cela veut dire que les aires s'ajoutent. La relation reste vraie quel que soit l'ordre de a, b et c. Elle sert à traiter les fonctions définies par morceaux.
Exemple 24. Calculons I=∫03∣x−1∣dx. Sur [0;1], ∣x−1∣=1−x ; sur [1;3], ∣x−1∣=x−1. Donc
I=∫01(1−x)dx+∫13(x−1)dx=[x−2x2]01+[2x2−x]13=21+2=25.
5.2 La linéarité
Propriété. Pour tout réel k,
∫ab(f(x)+g(x))dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dxet∫abkf(x)dx=k∫abf(x)dx.
Démonstration. Si F et G sont des primitives de f et g, alors F+G est une primitive de f+g, et kF est une primitive de kf. On écrit la différence entre b et a.
Attention : il n'y a pas de règle pour un produit de deux fonctions. Par exemple, ∫01x×xdx=31, alors que (∫01xdx)2=41.
Exemple 25 (deux intégrales qui s'aident). On cherche I=∫011+xxdx. On pose J=∫011+x1dx=[ln(1+x)]01=ln2. Par linéarité,
I+J=∫011+xx+1dx=∫011dx=1.
Donc I=1−ln2.
5.3 La positivité
Propriété. Si a≤b et si f≥0 sur [a;b], alors ∫abf(x)dx≥0. De même, si a≤b et si f≤0 sur [a;b], alors ∫abf(x)dx≤0.
Démonstration. Dans le premier cas, l'intégrale est une aire. Dans le second, c'est l'opposé d'une aire.
Exemple 26. Sur [1;e], lnx≥0, donc ∫1elnxdx≥0, sans aucun calcul.
5.4 Deux pièges
- L'ordre des bornes. x2≥0, mais ∫10x2dx=−31<0, car ici 1>0.
- La réciproque est fausse. ∫−12xdx=23>0, alors que x<0 sur [−1;0[.