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Primitives

Primitive sur un intervalle

Une primitive de $f$ sur un intervalle $I$ est une fonction $F$ dérivable sur $I$ telle que $F^{\prime}=f$. Chercher une primitive revient à résoudre $y^{\prime}=f$.

Toute fonction continue sur un intervalle admet des primitives (résultat admis ici). Cela n’assure pas qu’on puisse les écrire avec les fonctions usuelles.

Si $F$ est une primitive sur $I$, toutes les primitives sont $F+C$, $C\in\mathbb R$. Elles diffèrent d’une constante sur ce même intervalle. Une valeur prescrite $F(a)=b$ fixe cette constante et donne une unique primitive.

Comprendre pourquoi — Pourquoi deux primitives diffèrent d’une constante

Sur le même intervalle $I$, $(F-G)^{\prime}=f-f=0$, donc $F-G$ est constante. Réciproquement, ajouter une constante à une primitive ne change pas sa dérivée. L’hypothèse d’intervalle explique pourquoi des constantes différentes sont possibles sur deux intervalles disjoints.

Voir un exemple — Fixer la constante par F(0)=−1

Fixer une primitive par une valeur

Sur $\mathbb R$, pour $f(x)=6x^2+3\cos x-2\sin x$, les solutions de $y'=f$ sont toutes les fonctions

\[y(x)=2x^3+3\sin x+2\cos x+C,\qquad C\in\mathbb R.\]

La dérivation vérifie cette formule. La condition $F(0)=-1$ donne $2+C=-1$, donc l'unique solution correspondante est $F(x)=2x^3+3\sin x+2\cos x-3$.

Primitives de référence

Le tableau donne une primitive ; ajouter une constante pour obtenir toutes les primitives sur l’intervalle considéré.

FonctionUne primitiveDomaine
$x^n$$\frac{x^{n+1}}{n+1}$$n\in\mathbb Z,\ n\neq-1$ ; intervalle du domaine de $x^n$.
$\frac1x$$\ln|x|$Intervalle ne contenant pas zéro.
$\frac1{\sqrt x}$$2\sqrt x$$x>0$
$\mathrm e^x$$\mathrm e^x$$\mathbb R$
$\cos x$$\sin x$$\mathbb R$
$\sin x$$-\cos x$$\mathbb R$

La primitive d’une combinaison $\alpha f+\beta g$ est $\alpha F+\beta G$ si $F^{\prime}=f$, $G^{\prime}=g$, sur le même intervalle. Vérifier en dérivant. Pour $n=-1$, utiliser le logarithme : la formule des puissances diviserait par zéro.

Reconnaître une dérivée composée

Si $u$ est dérivable et $G^{\prime}=g$ sur les valeurs prises par $u$, alors $G(u(x))$ est une primitive de $u^{\prime}(x)g(u(x))$.

\[u^{\prime}\mathrm e^u\ \longrightarrow\ \mathrm e^u,\qquad \frac{u^{\prime}}u\ \longrightarrow\ \ln|u|\quad(u\neq0).\]

Pour le logarithme, travailler sur un intervalle où $u$ ne s’annule pas. Exemple : $4x\mathrm e^{x^2-1}=2(2x)\mathrm e^{x^2-1}$ a pour primitive $2\mathrm e^{x^2-1}$ sur $\mathbb R$. Le facteur constant se contrôle par dérivation.

Voir un exemple — Une primitive logarithmique sur deux intervalles séparés

Pour $p(x)=\frac3{2x-5}$, le point $\frac52$ est exclu. Sur chacun des intervalles $]-\infty;\frac52[$ et $]\frac52;+\infty[$, une primitive est $P(x)=\frac32\ln|2x-5|$.

\[\begin{aligned}x>\frac52:\quad P^{\prime}(x)&=\frac32\frac2{2x-5}=\frac3{2x-5},\\x<\frac52:\quad P^{\prime}(x)&=\frac32\frac{-2}{5-2x}=\frac3{2x-5}.\end{aligned}\]

Toutes les primitives sont $P+C$ sur l’intervalle choisi ; les constantes peuvent être différentes sur les deux intervalles. Le point exclu ne se rétablit pas.

Mathos Locos