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Leçon 4

Les primitives de fonctions composées

Vidéo 4 : Primitives de fonctions composées · 4 min 14 s · sous-titres en français

Le cours écrit

4.1 La dérivée d'une composée, lue à l'envers

Au chapitre 5, on a vu que (v∘u)′=(v′∘u)×u′(v \circ u)' = (v' \circ u) \times u'. Lue de droite à gauche, cette formule donne le résultat principal de la leçon.

Propriété. Si uu est dérivable sur un intervalle II et si vv est dérivable sur un intervalle contenant les valeurs de uu, alors v∘uv \circ u est une primitive de (v′∘u)×u′(v' \circ u) \times u' sur II.

Pour reconnaître cette forme, on cherche dans la fonction un morceau uu dont la dérivée u′u' est aussi présente, en facteur.

4.2 Le tableau

uu est une fonction dérivable sur un intervalle II.

Fonction Une primitive Condition sur II
u′ euu'\,\mathrm{e}^u eu\mathrm{e}^u
u′ unu'\,u^n (nn entier, n≥0n \geq 0) un+1n+1\dfrac{u^{n+1}}{n+1}
u′ unu'\,u^n (nn entier, n≤−2n \leq -2) un+1n+1\dfrac{u^{n+1}}{n+1} uu ne s'annule pas
u′u\dfrac{u'}{u} ln⁡(u)\ln(u) u>0u > 0
u′u\dfrac{u'}{\sqrt u} 2u2\sqrt u u>0u > 0
u′cos⁡uu'\cos u sin⁡u\sin u
u′sin⁡uu'\sin u −cos⁡u-\cos u

Si u<0u < 0 sur II, une primitive de u′u\dfrac{u'}{u} est ln⁡(−u)\ln(-u). Le cas n=−2n = -2 mérite d'être retenu : une primitive de u′u2\dfrac{u'}{u^2} est −1u-\dfrac1u.

Cas particulier très fréquent : u(x)=ax+bu(x) = ax + b, avec a≠0a \neq 0. Alors u′=au' = a. Si FF est une primitive de ff, une primitive de x↦f(ax+b)x \mapsto f(ax + b) est x↦1a F(ax+b).x \mapsto \frac1a\,F(ax + b). Ainsi e2x\mathrm{e}^{2x} a pour primitive 12 e2x\frac12\,\mathrm{e}^{2x}, et cos⁡(3x)\cos(3x) a pour primitive 13sin⁡(3x)\frac13\sin(3x).

4.3 La méthode

  1. Repérer uu et calculer u′u'.
  2. Faire apparaître u′u' en ajustant un facteur constant si nécessaire.
  3. Écrire la primitive à l'aide du tableau.
  4. Vérifier en dérivant.

4.4 Exemples

Exemple 18 (u′ euu'\,\mathrm{e}^u). f:x↦2x ex2f : x \mapsto 2x\,\mathrm{e}^{x^2} sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=x2u(x) = x^2, u′(x)=2xu'(x) = 2x : c'est exactement u′ euu'\,\mathrm{e}^u. Une primitive est F:x↦ex2F : x \mapsto \mathrm{e}^{x^2}.

Exemple 19 (ajuster un facteur). g:x↦x e−x2g : x \mapsto x\,\mathrm{e}^{-x^2} sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=−x2u(x) = -x^2, u′(x)=−2xu'(x) = -2x. Il manque le facteur −2-2 : g(x)=−12×(−2x e−x2)g(x) = -\dfrac12 \times \left(-2x\,\mathrm{e}^{-x^2}\right). Une primitive est G:x↦−12 e−x2G : x \mapsto -\dfrac12\,\mathrm{e}^{-x^2}.

Exemple 20 (u′ unu'\,u^n). f:x↦(2x+1)(x2+x+3)3f : x \mapsto (2x + 1)\left(x^2 + x + 3\right)^3 sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=x2+x+3u(x) = x^2 + x + 3, u′(x)=2x+1u'(x) = 2x + 1 et f=u′ u3f = u'\,u^3. Une primitive est F:x↦14(x2+x+3)4F : x \mapsto \dfrac14\left(x^2 + x + 3\right)^4.

Exemple 21 (ajuster un facteur). g:x↦x2(x3+1)4g : x \mapsto x^2\left(x^3 + 1\right)^4 sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=x3+1u(x) = x^3 + 1, u′(x)=3x2u'(x) = 3x^2, donc g=13 u′ u4g = \dfrac13\,u'\,u^4. Une primitive est G:x↦115(x3+1)5G : x \mapsto \dfrac{1}{15}\left(x^3 + 1\right)^5.

Exemple 22 (u′/uu'/u). f:x↦2xx2+1f : x \mapsto \dfrac{2x}{x^2 + 1} sur R\mathbb{R}. Ici u(x)=x2+1>0u(x) = x^2 + 1 > 0, et f=u′uf = \dfrac{u'}{u}. Une primitive est F:x↦ln⁡(x2+1)F : x \mapsto \ln\left(x^2 + 1\right).

Exemple 23 (u′/uu'/u). g:x↦exex+1g : x \mapsto \dfrac{\mathrm{e}^x}{\mathrm{e}^x + 1} sur R\mathbb{R}. Ici u(x)=ex+1>0u(x) = \mathrm{e}^x + 1 > 0. Une primitive est G:x↦ln⁡(ex+1)G : x \mapsto \ln\left(\mathrm{e}^x + 1\right).

Exemple 24 (u′/uu'/\sqrt u). f:x↦2x+3x2+3x+5f : x \mapsto \dfrac{2x + 3}{\sqrt{x^2 + 3x + 5}} sur R\mathbb{R}. Le trinôme x2+3x+5x^2 + 3x + 5 a pour discriminant −11<0-11 < 0 : il est strictement positif. Avec u(x)=x2+3x+5u(x) = x^2 + 3x + 5, f=u′uf = \dfrac{u'}{\sqrt u}. Une primitive est F:x↦2x2+3x+5F : x \mapsto 2\sqrt{x^2 + 3x + 5}.

Exemple 25 (avec le logarithme). f:x↦ln⁡xxf : x \mapsto \dfrac{\ln x}{x} sur ]0 ;+∞[]0\,;+\infty[. Avec u(x)=ln⁡xu(x) = \ln x, u′(x)=1xu'(x) = \dfrac1x, et f=u′ uf = u'\,u. Une primitive est F:x↦12(ln⁡x)2F : x \mapsto \dfrac12(\ln x)^2.

Exemple 26 (trigonométrie). f:x↦sin⁡x cos⁡2xf : x \mapsto \sin x\,\cos^2 x sur R\mathbb{R}. Avec u(x)=cos⁡xu(x) = \cos x, u′(x)=−sin⁡xu'(x) = -\sin x, donc f=−u′ u2f = -u'\,u^2. Une primitive est F:x↦−13cos⁡3xF : x \mapsto -\dfrac13\cos^3 x. De même, sur ]−π2 ;π2[\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[, où cos⁡x>0\cos x > 0, la fonction x↦sin⁡xcos⁡xx \mapsto \dfrac{\sin x}{\cos x} a pour primitive x↦−ln⁡(cos⁡x)x \mapsto -\ln(\cos x).

Exemple 27 (forme ax+bax + b). Sur ]−12 ;+∞[\left]-\dfrac12\,;+\infty\right[, x↦12x+1x \mapsto \dfrac{1}{2x + 1} a pour primitive x↦12ln⁡(2x+1)x \mapsto \dfrac12\ln(2x + 1). Sur R\mathbb{R}, x↦sin⁡(4x−1)x \mapsto \sin\left(4x - 1\right) a pour primitive x↦−14cos⁡(4x−1)x \mapsto -\dfrac14\cos\left(4x - 1\right).

4.5 Les limites de la méthode

Seul un facteur constant peut être ajusté. Pour x↦e−x2x \mapsto \mathrm{e}^{-x^2}, avec u(x)=−x2u(x) = -x^2, il manque le facteur −2x-2x : il n'est pas constant, on ne peut pas conclure. C'est normal, cette fonction n'a pas de primitive explicite. Pour x↦x exx \mapsto x\,\mathrm{e}^x, la méthode ne s'applique pas non plus : une primitive existe, mais on la trouvera par une autre technique au chapitre 14.

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Exercices 7 et 8

  • Exercice 7 : reconnaître la forme
  • Exercice 8 : transformer et comparer

Exercices du chapitre (PDF, 156 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 150 Ko)

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