Encore un peu de trigonométrie - Exercice 1

40 min
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Certain exercice nécessite de bien connaître son cours !
Question 1
Soit xx un nombre réel appartenant à l'intervalle [0 ; π2]\left[ 0 \,;\ \dfrac{\pi}{2} \right].

Calculer l'intégrale I=∫0π2cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dxI = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx.

Correction
On cherche l'intégrale suivante :
I=∫0π2cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dx=∫0π216−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) cos⁡(x) dxI = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{1}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, \cos(x) \, dx
La présence du terme cos⁡(x) dx\cos(x) \, dx qui est égale à dsin⁡(x)d \sin(x) invite au changement de variable u=sin⁡(x)u = \sin(x).
Il est également possible de faire usage d'une des règles de BiocheBioche. En effet, remplaçons xx par π−x\pi - x dans l'expression cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dx\dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx, pour obtenir cos⁡(π−x)6−5sin⁡(π−x)+sin⁡2(π−x) d(π−x)\dfrac{\cos(\pi - x)}{6 - 5 \sin(\pi - x) + \sin^2(\pi - x)} \, d(\pi - x).
Or, on sait que cos⁡(π−x)=−cos⁡(x)\cos(\pi - x) = - \cos(x) et que sin⁡(π−x)=sin⁡(x)\sin(\pi - x) = \sin(x). De plus, on a :
d(π−x)dx=dπdx−dxdx=0−1=−1   ⟹   d(π−x)=−dx\dfrac{d(\pi - x)}{dx} = \dfrac{d\pi}{dx} - \dfrac{dx}{dx} = 0 - 1 = -1 \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, d(\pi - x) = - dx
De fait :
cos⁡(π−x)6−5sin⁡(π−x)+sin⁡2(π−x) d(π−x)=−cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) (−dx)=cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dx\dfrac{\cos(\pi - x)}{6 - 5 \sin(\pi - x) + \sin^2(\pi - x)} \, d(\pi - x) = \dfrac{-\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, \big(-dx \big) = \dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx
Ce qui nous permet de poser u=sin⁡(x)u = \sin(x).
Ainsi, lorsque x=0x = 0 on a u=sin⁡(0)=0u = \sin(0) = 0 et lorsque x=π2x = \dfrac{\pi}{2} on a u=sin⁡(π2)=1u = \sin\left(\dfrac{\pi}{2}\right) = 1. Donc, on a :
I=∫0π2cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dx=∫0116−5u+u2 duI = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx = \int_0^1 \dfrac{1}{6 - 5 u + u^2} \, du
L'équation 6−5u+u2=06 - 5 u + u^2 = 0 admet deux solutions réelles distinctes. En effet, le discriminant associé est Δ=(−5)2−4×1×6=25−24=1>0\Delta = (-5)^2 - 4 \times1 \times 6 = 25 - 24 = 1 > 0, et les solutions recherchées sont u=−(−5)±12×1=5±12u = \dfrac{-(-5) \pm \sqrt{1}}{2\times 1} = \dfrac{5 \pm 1}{2}, à savoir u=2u = 2 et u=3u=3. Donc 6−5u+u2=(u−2)(u−3)6 - 5 u + u^2 = (u-2)(u-3), et on a :
I=∫011(u−2)(u−3) duI = \int_0^1 \dfrac{1}{(u-2)(u-3)} \, du
La décomposition en éléments simples nous permet d'obtenir :
1(u−2)(u−3)=1u−3−1u−2\dfrac{1}{(u-2)(u-3)} = \dfrac{1}{u-3} - \dfrac{1}{u-2}
D'où :
I=∫01(1u−3−1u−2) du=∫011u−3 du−∫011u−2 duI = \int_0^1 \left( \dfrac{1}{u-3} - \dfrac{1}{u-2} \right) \, du = \int_0^1 \dfrac{1}{u-3} \, du - \int_0^1 \dfrac{1}{u-2} \, du
Soit :
I=[ln⁡(∣u−3∣)]01−[ln⁡(∣u−2∣)]01I = \left[ \ln \left( | u - 3| \right) \right]_0^1 - \left[ \ln \left( | u - 2| \right) \right]_0^1
Ce qui nous donne :
I=ln⁡(∣1−3∣)−ln⁡(∣0−3∣)−ln⁡(∣1−2∣)+ln⁡(∣0−2∣)=ln⁡(∣−2∣)−ln⁡(∣−3∣)−ln⁡(∣−1∣)+ln⁡(∣−2∣)I = \ln \left( | 1 - 3| \right) - \ln \left( | 0 - 3| \right) - \ln \left( | 1 - 2| \right) + \ln \left( | 0 - 2| \right) = \ln \left( | -2| \right) - \ln \left( | -3| \right) - \ln \left( | -1| \right) + \ln \left( | - 2| \right)
Soit encore :
I=ln⁡(2)−ln⁡(3)−ln⁡(1)+ln⁡(2)I = \ln \left( 2 \right) - \ln \left( 3 \right) - \ln \left( 1 \right) + \ln \left( 2 \right)
Comme ln⁡(1)=0\ln \left( 1 \right) = 0 on aboutit à :
I=2ln⁡(2)−ln⁡(3)=ln⁡(22)−ln⁡(3)=ln⁡(4)−ln⁡(3)=ln⁡(43)I = 2\ln \left( 2 \right) - \ln \left( 3 \right) = \ln \left( 2^2 \right) - \ln \left( 3 \right) = \ln \left( 4 \right) - \ln \left( 3 \right) = \ln \left( \dfrac{4}{3} \right)
Finalement :
I=∫0π2cos⁡(x)6−5sin⁡(x)+sin⁡2(x) dx=ln⁡(43)  u.a.≃0,29  u.a.I = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \dfrac{\cos(x)}{6 - 5 \sin(x) + \sin^2(x)} \, dx = \ln \left( \dfrac{4}{3} \right) \,\, u.a. \simeq 0,29 \,\, u.a.
Graphiquement, on obtient :

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