Cours sur les primitives de fonctions rationnelles

Primitives de fonctions rationnelles.

Méthode

On décompose la fraction rationnelle en éléments simples dans R[X]\mathbb{R}[X].
Toute fraction rationnelle se décompose en la somme :
    −  \,\,\,\, - \,\, de sa partie entière (polynôme dont on connait les primitives),
    −  \,\,\,\, - \,\, et de fractions de la forme :
A(x−α)n     \dfrac{\mathcal{A}}{(x-\alpha)^n} \,\,\,\,\, et      ax+b(x2+px+q)n     (avec: p2−4q<0)\,\,\,\,\, \dfrac{ax+b}{(x^2 + px + q)^n} \,\,\,\,\,(\mathrm{avec} : \, p^2-4q < 0)
Et on peut calculer les primitives de ces termes comme suit :
⋆  ∫A(x−α)n dx=−An−11(x−α)n−1+C     (C∈R  et  n≠1)\star \,\, \int \dfrac{\mathcal{A}}{(x-\alpha)^n} \, dx = -\dfrac{\mathcal{A}}{n-1} \dfrac{1}{(x-\alpha)^{n-1}} + C \,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R} \,\, \mathrm{et} \,\, n \neq 1)
⋆  ∫A(x−α)n dx=ln⁡(∣x−α∣)+C     (C∈R  et  n=1)\star \,\, \int \dfrac{\mathcal{A}}{(x-\alpha)^n} \, dx = \ln \left( \left| x - \alpha \right| \right) + C \,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R} \,\, \mathrm{et} \,\, n = 1)
⋆⋆  ∫ax+b(x2+px+q)n dx=a2∫2x+p(x2+px+q)n dx+(b−ap2)∫1(x2+px+q)n dx\star \star \,\, \int \dfrac{ax+b}{(x^2 + px + q)^n} \, dx = \dfrac{a}{2} \int \dfrac{2x+p}{(x^2 + px + q)^n} \, dx + \left( b - \dfrac{ap}{2} \right) \int \dfrac{1}{(x^2 + px + q)^n} \, dx
La primitive ∫2x+p(x2+px+q)n dx\int \dfrac{2x+p}{(x^2 + px + q)^n} \, dx se calcule en utilisant le changement de variable u=x2+px+qu = x^2 + px + q.
La primitive ∫1(x2+px+q)n d\int \dfrac{1}{(x^2 + px + q)^n} \, d se calcule en écrivant le trinôme x2+px+qx^2 + px + q sous sa forme canonique, puis après un changement de variable, on se ramène à une expression du type In=∫1(t+1)n dt\mathcal{I}_n = \int \dfrac{1}{(t+1)^n} \, dt. Puis, il faut effectuer une intégration par parties de In−1\mathcal{I}_{n-1} afin d'établir une relation (de récurrence) entre In−1\mathcal{I}_{n-1} et In\mathcal{I}_{n}. Enfin, il reste à déterminer, de proche en proche, la primitive recherchée In\mathcal{I}_{n} à partir de I1=arctan⁡(t)+C\mathcal{I}_{1} = \arctan(t) + C avec C∈RC \in \mathbb{R}.
Exemple :\pink{\text{Exemple :}} Déterminons l'expression des primitives de la fonction, continue sur R\mathbb{R}, définie par x⟼x5+x3+x+2x2(x2+x+1)x \longmapsto \dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)}.
La décomposition en éléments simples de x5+x3+x+2x2(x2+x+1)\dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)} est donnée par l'expression suivante :
x5+x3+x+2x2(x2+x+1)=x−1−1x+2x2+2xx2+x+1\dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)} = x - 1 - \dfrac{1}{x} + \dfrac{2}{x^2} + \dfrac{2x}{x^2+x+1}
Donc :
∫x5+x3+x+2x2(x2+x+1) dx=x22−x−ln⁡(∣x∣)−2x+∫2xx2+x+1 dx\int \dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)} \, dx = \dfrac{x^2}{2} - x - \ln(|x|) - \dfrac{2}{x} + \int \dfrac{2x}{x^2+x+1} \, dx
Avec :
∫2xx2+x+1 dx=∫2x+1−1x2+x+1 dx=∫(2x+1x2+x+1−1x2+x+1) dx\int \dfrac{2x}{x^2+x+1} \, dx = \int \dfrac{2x+1-1}{x^2+x+1} \, dx = \int \left( \dfrac{2x+1}{x^2+x+1} - \dfrac{1}{x^2+x+1} \right)\, dx
Soit :
∫2xx2+x+1 dx=∫2x+1x2+x+1 dx−∫1x2+x+1 dx=ln⁡(∣x2+x+1∣)−∫1x2+x+1 dx\int \dfrac{2x}{x^2+x+1} \, dx = \int \dfrac{2x+1}{x^2+x+1} \, dx - \int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \ln(|x^2+x+1|) - \int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx
Donc, on en déduit que :
∫x5+x3+x+2x2(x2+x+1) dx=x22−x−ln⁡(∣x∣)−2x+ln⁡(∣x2+x+1∣)−∫1x2+x+1 dx\int \dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)} \, dx = \dfrac{x^2}{2} - x - \ln(|x|) - \dfrac{2}{x} + \ln(|x^2+x+1|) - \int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx
Avec :
∫1x2+x+1 dx=∫1x2+2x12+14+34 dx=∫1x2+2x12+(12)2+34 dx\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \int \dfrac{1}{x^2 + 2x\dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{4} + \dfrac{3}{4}} \, dx = \int \dfrac{1}{x^2 + 2x\dfrac{1}{2} + \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 + \dfrac{3}{4}} \, dx
En faisant usage de l'identité remarquable usuelle, on obtient :
∫1x2+x+1 dx=∫1(x+12)2+34 dx\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \int \dfrac{1}{\left(x + \dfrac{1}{2}\right)^2 + \dfrac{3}{4}} \, dx
On pose t=x+12t = x + \dfrac{1}{2} ainsi on a dtdx=ddx(12)=1\dfrac{dt}{dx} = \dfrac{d}{dx} \left(\dfrac{1}{2}\right) = 1. On en déduit alors que dt=dxdt = dx, et de fait, on trouve que :
∫1x2+x+1 dx=∫1t2+34 dt=∫13443t2+34 dt=134∫143t2+1 dt=43∫1(23t)2+1 dt\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \int \dfrac{1}{t^2 + \dfrac{3}{4}} \, dt = \int \dfrac{1}{\dfrac{3}{4} \dfrac{4}{3}t^2 + \dfrac{3}{4}} \, dt = \dfrac{1}{\dfrac{3}{4}} \int \dfrac{1}{\dfrac{4}{3}t^2 + 1} \, dt = \dfrac{4}{3} \int \dfrac{1}{\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}t\right)^2 + 1} \, dt
Ce qui peut également s'écrire comme :
∫1x2+x+1 dx=2323∫1(23t)2+1 dt=23∫1(23t)2+1 d(23t)\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \dfrac{2}{\sqrt{3}}\dfrac{2}{\sqrt{3}} \int \dfrac{1}{\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}t\right)^2 + 1} \, dt = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \int \dfrac{1}{\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}t\right)^2 + 1} \, d\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}t\right)
On pose alors X=23tX = \dfrac{2}{\sqrt{3}}t de sorte que nous puissions écrire, avec C∈RC \in \mathbb{R}, que :
∫1x2+x+1 dx=23∫1X2+1 dX=23arctan⁡(X)+C=23arctan⁡(23t)+C\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \int \dfrac{1}{X^2 + 1} \, dX = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \arctan(X) + C = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}t\right) + C
Mais comme t=x+12t = x + \dfrac{1}{2} cela permet d'écrire que :
∫1x2+x+1 dx=23arctan⁡(23(x+12))+C\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\dfrac{2}{\sqrt{3}}\left( x + \dfrac{1}{2}\right)\right) + C
Soit encore :
∫1x2+x+1 dx=23arctan⁡(2x+13)+C\int \dfrac{1}{x^2+x+1} \, dx = \dfrac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\dfrac{2x+1}{\sqrt{3}}\right) + C
Finalement, on trouve que :
∫x5+x3+x+2x2(x2+x+1) dx=x22−x−ln⁡(∣x∣)−2x+ln⁡(∣x2+x+1∣)−23arctan⁡(2x+13)+C      (C∈R)\int \dfrac{x^5+x^3+x+2}{x^2(x^2+x+1)} \, dx = \dfrac{x^2}{2} - x - \ln(|x|) - \dfrac{2}{x} + \ln(|x^2+x+1|) - \dfrac{2}{\sqrt{3}} \arctan\left(\dfrac{2x+1}{\sqrt{3}}\right) + C \,\,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R})
Au passage, mentionnons que nous avons montré que, si aa est un nombre réel et bb un nombre réel non nul, alors :
∫1(x+a)2+b2 dx=1barctan⁡(x+ab)+C      (C∈R)\int \dfrac{1}{(x+a)^2 + b^2} \, dx = \dfrac{1}{b} \arctan\left( \dfrac{x+a}{b} \right) + C \,\,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R})

Autres primitives se ramenant aux fonctions rationnelles.

Primitives de fractions rationnelles en sinus et cosinus

Méthode : On veut déterminer ∫f(x) dx\int f(x) \, dx où ff est une fonction rationnelle en sin⁡(x)\sin(x) et cos⁡(x)\cos(x). Dans le cas où :
⋆  \star \,\, le terme f(x) dxf(x) \, dx est invariant lors du changement de xx en −x-x alors on pose u=cos⁡(x)u = \cos(x) ;
⋆⋆  \star \star \,\, le terme f(x) dxf(x) \, dx est invariant lors du changement de xx en π−x\pi - x alors on pose u=sin⁡(x)u = \sin(x) ;
⋆⋆⋆  \star \star \star \,\, le terme f(x) dxf(x) \, dx est invariant lors du changement de xx en π+x\pi + x alors on pose u=tan⁡(x)u = \tan(x).
Sinon, il est toujours possible de poser u=tan⁡(x2)u = \tan \left( \dfrac{x}{2} \right). Dans ce cas, on a x=2arctan⁡(u)x = 2\arctan(u), et de fait :
dxdu=ddu(2arctan⁡(u))=2ddu(arctan⁡(u))=2×11+u2   ⟺   dx=11+u2 du\dfrac{dx}{du} = \dfrac{d}{du}\left( 2\arctan(u) \right) = 2\dfrac{d}{du}\left( \arctan(u) \right) = 2 \times \dfrac{1}{1+u^2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, dx = \dfrac{1}{1+u^2} \, du
Les règles précédentes sont connues sous le nom de reˋgle  de  Charles  Bioche  (1859−1949){\color{red}{\bf{règle \,\, de \,\, Charles \,\, Bioche \,\,(1859-1949)}}}.
Exemple :\pink{\text{Exemple :}} Déterminons l'expression des primitives de la fonction ff définie par f:x⟼sin⁡3(x)1+cos⁡2(x)f : x \longmapsto \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)}.
On change xx en −x-x, et on constate que :
f(−x) d(−x)=sin⁡3(−x)1+cos⁡2(−x) d(−x)=−sin⁡3(−x)1+cos⁡2(−x) dx=−−sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=f(x) dxf(-x) \, d(-x) = \dfrac{\sin^3(-x)}{1+\cos^2(-x)} \, d(-x) = - \dfrac{\sin^3(-x)}{1+\cos^2(-x)} \, dx = - \dfrac{-\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx =f(x) \, dx
Donc on pose u=cos⁡(x)u = \cos(x), ce qui implique que :
dudx=ddx(cos⁡(x))=−sin⁡(x)   ⟺   du=−sin⁡(x) dx\dfrac{du}{dx} = \dfrac{d}{dx}\left( \cos(x) \right) = - \sin(x) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, du = - \sin(x) \, dx
Ainsi :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=∫sin⁡2(x)1+cos⁡2(x)sin⁡(x) dx=−∫1−cos⁡2(x)1+cos⁡2(x)(−sin⁡(x) dx)=−∫1−u21+u2 du\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = \int \dfrac{\sin^2(x)}{1+\cos^2(x)} \sin(x) \, dx = -\int \dfrac{1 - \cos^2(x)}{1+\cos^2(x)} \big(-\sin(x) \, dx\big) = -\int \dfrac{1 - u^2}{1+u^2} \, du
Ce qui nous donne :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=−∫1−u21+u2 du=−∫1−u2+1−11+u2 du=−∫2−(1+u2)1+u2 du\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = -\int \dfrac{1 - u^2}{1+u^2} \, du = -\int \dfrac{1 - u^2 + 1 - 1}{1+u^2} \, du = -\int \dfrac{2 - (1+u^2) }{1+u^2} \, du
Soit :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=−∫(21+u2−1+u21+u2) du=−2∫11+u2 du+∫1+u21+u2 du\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = -\int \left( \dfrac{2}{1+u^2} - \dfrac{1+u^2}{1+u^2}\right) \, du = -2 \int \dfrac{1}{1+u^2} \, du + \int \dfrac{1+u^2 }{1+u^2} \, du
Soit encore :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=−2∫11+u2 du+∫1 du\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = - 2 \int \dfrac{1}{1+u^2} \, du + \int 1 \, du
On a alors :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=−2arctan⁡(u)+u+C      (C∈R)\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = -2 \arctan(u) + u + C \,\,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R})
Finalement, on trouve que :
∫sin⁡3(x)1+cos⁡2(x) dx=−2arctan⁡(cos⁡(x))+cos⁡(x)+C      (C∈R)\int \dfrac{\sin^3(x)}{1+\cos^2(x)} \, dx = -2 \arctan\big(\cos(x)\big) + \cos(x) + C \,\,\,\,\,\, (C \in \mathbb{R})

Primitives de fractions rationnelles en sinus hyperbolique et cosinus hyperbolique

Méthode : Les changements de variable u=exu = e^x ou u=e−xu = e^{-x} et dans le cas hyperbolique, t=tanh⁡(x2)t = \tanh\left( \dfrac{x}{2} \right), conduisent au calcul de primitives de fractions rationnelles. Dans certains cas, des changements de variables u=cosh⁡(x)u = \cosh(x), u=sinh⁡(x)u = \sinh(x) ou u=tanh⁡(x)u = \tanh(x), peuvent-être envisagés.
Exemple :\pink{\text{Exemple :}} Déterminons les primitives de x⟼cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1exx \longmapsto \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x. On pose u=exu = e^x, donc dudx=ddx(ex)=ex\dfrac{du}{dx} = \dfrac{d}{dx}\big( e^x \big) = e^x. Donc du=exdxdu = e^x dx. On a donc :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=∫ex+e−x2−1ex+e−x2+1ex dx=∫ex+e−x2−22ex+e−x2+22ex dx=∫ex+e−x−2ex+e−x+2ex dx\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = \int \dfrac{\dfrac{e^x + e^{-x}}{2} - 1}{\dfrac{e^x + e^{-x}}{2} + 1} e^x \, dx = \int \dfrac{\dfrac{e^x + e^{-x}}{2} - \dfrac{2}{2}}{\dfrac{e^x + e^{-x}}{2} + \dfrac{2}{2} } e^x \, dx = \int \dfrac{e^x + e^{-x} - 2}{e^x + e^{-x} + 2} e^x \, dx
Soit :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=∫ex+1ex−2ex+1ex+2ex dx=∫u+1u−2u+1u+2 du=∫u2u+1u−2uuu2u+1u+2uu du\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = \int \dfrac{e^x + \dfrac{1}{e^x} - 2}{e^x + \dfrac{1}{e^x} + 2} e^x \, dx = \int \dfrac{u + \dfrac{1}{u} - 2}{u + \dfrac{1}{u} + 2} \, du = \int \dfrac{\dfrac{u^2}{u} + \dfrac{1}{u} - \dfrac{2u}{u}}{\dfrac{u^2}{u} + \dfrac{1}{u} + \dfrac{2u}{u}} \, du
Ce qui nous donne :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=∫u2−2u+1u2+2u+1 du=∫u2−2u+1(u+1)2 du\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = \int \dfrac{u^2-2u+1}{u^2+2u+1} \, du = \int \dfrac{u^2-2u+1}{(u+1)^2} \, du
La décomposition en éléments simples de u2−2u+1(u+1)2\dfrac{u^2-2u+1}{(u+1)^2} nous permet d'écrire que :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=∫(1−4u+1+4(u+1)2) du=∫1 du−4∫1u+1 du+4∫1(u+1)2 du\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = \int \left( 1 - \dfrac{4}{u+1} + \dfrac{4}{(u+1)^2} \right) \, du = \int 1 \, du - 4 \int \dfrac{1}{u+1} \, du + 4\int \dfrac{1}{(u+1)^2} \, du
Avec C∈RC \in \mathbb{R}, on obtient alors :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=u−4ln⁡(∣ u+1 ∣)+4×−1u+1+C\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = u - 4 \ln (|\, u+1 \,|) + 4\times \dfrac{-1}{u+1} + C
Soit :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=u−ln⁡((u+1)4)−4u+1+C\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = u - \ln \big((u+1)^4\big) - \dfrac{4}{u+1} + C
Finalement, on trouve que :
∫cosh⁡(x)−1cosh⁡(x)+1ex dx=ex−ln⁡((ex+1)4)−4ex+1+C     (avec:C∈R)\int \dfrac{\cosh(x) - 1}{\cosh(x) + 1} e^x \, dx = e^x - \ln \left(\left(e^x+1\right)^4\right) - \dfrac{4}{e^x+1} + C \,\,\,\,\, (\mathrm{avec} : C \in \mathbb{R})


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