Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Riemann integrationExercise

De « rapides » intégrations par parties (niveau 3)

by Sequoia·translated by Catalpa·
22
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 1–10First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 11–25Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 26–50Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 51–70Advanced / graduateAvancé / master
  5. 71–90Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91–100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Calculez les intégrales suivantes en utilisant une (ou plusieurs !) intégrations par parties :

  1. ∫01exsin⁡(x) dx\displaystyle\int_0^{1}e^x\sin(x)\,\mathrm{d}x en intégrant seulement exp⁡\exp.

  2. ∫01arcsin⁡(u) dt\displaystyle\int_0^{1}\arcsin(u)\,\mathrm{d}t en dérivant arcsin⁡\arcsin.

  3. ∫1eln⁡(t)2 dt\displaystyle\int_1^{e}\ln(t)^2\,\mathrm{d}t en commençant par dériver ln⁡2\ln^2.

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Solutions

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  1. L’exponentielle étant invariante par intégration, la consigne impose de l’intégrer à chaque fois. Deux intégrations par parties ramènent alors l’intégrale à elle-même.
    Avec f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x et g′(x)=exg'(x)=e^{x} :
    I=∫01exsin⁡x dx=[exsin⁡x]01−∫01excos⁡x dx=esin⁡1−J.I=\int_0^1 e^{x}\sin x\,\mathrm{d}x=\Bigl[e^{x}\sin x\Bigr]_0^1-\int_0^1 e^{x}\cos x\,\mathrm{d}x=e\sin 1-J .Avec f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x et g′(x)=exg'(x)=e^{x}, en notant que cos⁡′=−sin⁡\cos'=-\sin :
    J=∫01excos⁡x dx=[excos⁡x]01+∫01exsin⁡x dx=ecos⁡1−1+I.J=\int_0^1 e^{x}\cos x\,\mathrm{d}x=\Bigl[e^{x}\cos x\Bigr]_0^1+\int_0^1 e^{x}\sin x\,\mathrm{d}x=e\cos 1-1+I .En reportant, I=esin⁡1−ecos⁡1+1−II=e\sin 1-e\cos 1+1-I, d’où 2I=e(sin⁡1−cos⁡1)+12I=e(\sin 1-\cos 1)+1 et
     ∫01exsin⁡x dx=e(sin⁡1−cos⁡1)+12.\boxed{\ \int_0^1 e^{x}\sin x\,\mathrm{d}x=\frac{e(\sin 1-\cos 1)+1}{2}. }

  2. Il n’y a qu’un facteur : on dérive arcsin⁡\arcsin et l’on intègre la fonction constante 11. Avec f(u)=arcsin⁡uf(u)=\arcsin u, g′(u)=1g'(u)=1, g(u)=ug(u)=u :
    ∫01arcsin⁡u du=[uarcsin⁡u]01−∫01u1−u2 du=π2−K.\int_0^1\arcsin u\,\mathrm{d}u=\Bigl[u\arcsin u\Bigr]_0^1-\int_0^1\frac{u}{\sqrt{1-u^{2}}}\,\mathrm{d}u=\frac{\pi}{2}-K .L’intégrande restant s’intègre directement, en reconnaissant −ddu1−u2-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u}\sqrt{1-u^{2}} :
    K=[−1−u2]01=0−(−1)=1.K=\Bigl[-\sqrt{1-u^{2}}\Bigr]_0^1=0-(-1)=1 .D’où
     ∫01arcsin⁡u du=π2−1.\boxed{\ \int_0^1\arcsin u\,\mathrm{d}u=\frac{\pi}{2}-1 .}

  3. Même situation : on dérive ln⁡2\ln^{2} et l’on intègre 11. Avec f(t)=ln⁡2tf(t)=\ln^{2}t, f′(t)=2ln⁡ttf'(t)=\frac{2\ln t}{t} et g(t)=tg(t)=t :
    ∫1eln⁡2t dt=[tln⁡2t]1e−∫1e2ln⁡t dt=e−2∫1eln⁡t dt.\int_1^e\ln^{2}t\,\mathrm{d}t=\Bigl[t\ln^{2}t\Bigr]_1^e-\int_1^e 2\ln t\,\mathrm{d}t=e-2\int_1^e\ln t\,\mathrm{d}t .La seconde intégrale se traite de la même façon, avec f(t)=ln⁡tf(t)=\ln t et g(t)=tg(t)=t :
    ∫1eln⁡t dt=[tln⁡t]1e−∫1e1 dt=e−(e−1)=1.\int_1^e\ln t\,\mathrm{d}t=\Bigl[t\ln t\Bigr]_1^e-\int_1^e 1\,\mathrm{d}t=e-(e-1)=1 .Finalement
     ∫1eln⁡2t dt=e−2.\boxed{\ \int_1^e\ln^{2}t\,\mathrm{d}t=e-2. }

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