Un exemple plus délicat. - Exercice 1

50 min
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Un exemple qui illustre que la recherche d'une primitive requiert de la patience et de la méthode.
Question 1
Soit xx un nombre réel non nul. Soit ff la fonction numérique, continue sur R⋆\mathbb{R}^\star, suivante :
f:x⟼1+x34xf : x \longmapsto \dfrac{\sqrt[4]{1+x^3}}{x}

Déterminer, sur R⋆\mathbb{R}^\star, l'expression des primitives FF de ff.

Correction
On cherche :
F(x)=∫1+x34x dxF(x) = \int \dfrac{\sqrt[4]{1+x^3}}{x} \, dx
Posons u=1+x34u = \sqrt[4]{1+x^3}, de sorte que u4=1+x3u^4 = 1+x^3, ainsi x3=u4−1x^3 = u^4 - 1, ce qui implique que x=(u4−1)13x = \big( u^4 - 1 \big)^{\frac{1}{3}}. Donc, par dérivation, on obtient :
dxdu=ddu((u4−1)13)=13(u4−1)13−1ddu(u4−1)=13(u4−1)−234u3=43u3(u4−1)23\dfrac{dx}{du} = \dfrac{d}{du} \left( \big( u^4 - 1 \big)^{\frac{1}{3}} \right) = \dfrac{1}{3} \big( u^4 - 1 \big)^{\frac{1}{3}-1} \dfrac{d}{du} \big( u^4 - 1 \big) = \dfrac{1}{3} \big( u^4 - 1 \big)^{-\frac{2}{3}} 4u^3 = \dfrac{4}{3} \dfrac{u^3}{\big( u^4 - 1 \big)^{\frac{2}{3}}}
D'où :
dx=43u3(u4−1)23 dudx = \dfrac{4}{3} \dfrac{u^3}{\big( u^4 - 1 \big)^{\frac{2}{3}}} \, du
Ainsi, on en déduit que :
F(x)=∫1+x34x dx=∫u(u4−1)13 43u3(u4−1)23 du=43∫u4u4−1 duF(x) = \int \dfrac{\sqrt[4]{1+x^3}}{x} \, dx = \int \dfrac{u}{\big( u^4 - 1 \big)^{\frac{1}{3}}} \, \dfrac{4}{3} \dfrac{u^3}{\big( u^4 - 1 \big)^{\frac{2}{3}}} \, du = \dfrac{4}{3} \int \dfrac{u^4}{u^4 - 1} \, du
Soit :
F(x)=43∫1+u4−1u4−1 du=43∫1+u4−1u4−1 du=43∫(1u4−1+u4−1u4−1) du=43∫(1u4−1+1) duF(x) = \dfrac{4}{3} \int \dfrac{1 + u^4 - 1}{u^4 - 1} \, du = \dfrac{4}{3} \int \dfrac{1 + u^4 - 1}{u^4 - 1} \, du = \dfrac{4}{3} \int \left( \dfrac{1}{u^4 - 1} + \dfrac{u^4 - 1}{u^4 - 1} \right) \, du = \dfrac{4}{3} \int \left( \dfrac{1}{u^4 - 1} + 1 \right) \, du
Par linéarité, on a :
F(x)=43(∫1u4−1 du+∫1 du)=43(∫1(u2−1)(u2+1) du+u+K)  ,(K∈R)F(x) = \dfrac{4}{3} \left( \int \dfrac{1}{u^4 - 1} \, du + \int 1 \, du \right) = \dfrac{4}{3} \left( \int \dfrac{1}{(u^2 - 1) (u^2 + 1)} \, du + u + K \right) \,\,_, (K \in \mathbb{R})
Soit encore :
F(x)=43∫1(u−1)(u+1)(u2+1) du+43u+Q  ,(Q=43K∈R)F(x) = \dfrac{4}{3} \int \dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} \, du + \dfrac{4}{3}u + Q \,\,_, \left(Q = \dfrac{4}{3} K \in \mathbb{R} \right)
Avec AA, BB, CC et DD quantre nombres réels, on a la décomposition en éléments simples suivante :
1(u−1)(u+1)(u2+1)=Au−1+Bu+1+Cu+Du2+1\dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{A}{u - 1} + \dfrac{B}{u + 1} + \dfrac{Cu+D}{u^2 + 1}
En multipliant par u−1u - 1, on obtient :
u−1(u−1)(u+1)(u2+1)=A(u−1)u−1+B(u−1)u+1+(Cu+D)(u−1)u2+1\dfrac{u - 1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{A(u - 1)}{u - 1} + \dfrac{B(u - 1)}{u + 1} + \dfrac{(Cu+D)(u - 1)}{u^2 + 1}
Ce qui nous donne :
1(u+1)(u2+1)=A+B(u−1)u+1+(Cu+D)(u−1)u2+1\dfrac{1}{(u + 1) (u^2 + 1)} = A + \dfrac{B(u - 1)}{u + 1} + \dfrac{(Cu+D)(u - 1)}{u^2 + 1}
Dans cette dernière expression, posons u=1u = 1, on a alors :
1(1+1)(12+1)=A+B(1−1)1+1+(C+D)(1−1)12+1   ⟺   14=A+0+0   ⟺   14=A\dfrac{1}{(1 + 1) (1^2 + 1)} = A + \dfrac{B(1 - 1)}{1 + 1} + \dfrac{(C+D)(1 - 1)}{1^2 + 1} \,\,\, \Longleftrightarrow\,\,\, \dfrac{1}{4} = A + 0 + 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{4} = A
Donc :
1(u−1)(u+1)(u2+1)=14(u−1)+Bu+1+Cu+Du2+1\dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(u - 1)} + \dfrac{B}{u + 1} + \dfrac{Cu+D}{u^2 + 1}
En multipliant par u+1u + 1, on obtient :
u+1(u−1)(u+1)(u2+1)=u+14(u−1)+B(u+1)u+1+(Cu+D)(u+1)u2+1\dfrac{u + 1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{u + 1}{4(u - 1)} + \dfrac{B(u + 1)}{u + 1} + \dfrac{(Cu+D)(u + 1)}{u^2 + 1}
Soit :
1(u−1)(u2+1)=u+14(u−1)+B+(Cu+D)(u+1)u2+1\dfrac{1}{(u - 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{u + 1}{4(u - 1)} + B + \dfrac{(Cu+D)(u + 1)}{u^2 + 1}
Posons alors u=−1u=-1. On a donc :
1(−1−1)((−1)2+1)=−1+14(−1−1)+B+(−C+D)(−1+1)(−1)2+1   ⟺   −14=0+B+0   ⟺   −14=B\dfrac{1}{(-1 - 1) ((-1)^2 + 1)} = \dfrac{-1 + 1}{4(-1 - 1)} + B + \dfrac{(-C+D)(-1 + 1)}{(-1)^2 + 1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -\dfrac{1}{4} = 0 + B + 0 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -\dfrac{1}{4} = B
Donc :
1(u−1)(u+1)(u2+1)=14(u−1)−14(u+1)+Cu+Du2+1\dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} + \dfrac{Cu+D}{u^2 + 1}
Posons maintenant u=0u = 0, ce qui nous permet d'avoir :
1(0−1)(0+1)(02+1)=14(0−1)−14(0+1)+C0+D02+1   ⟺   −1=−14−14+D1   ⟺   −1=−12+D\dfrac{1}{(0 - 1)(0 + 1) (0^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(0 - 1)} - \dfrac{1}{4(0 + 1)} + \dfrac{C0+D}{0^2 + 1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -1 = -\dfrac{1}{4} - \dfrac{1}{4} + \dfrac{D}{1} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -1 = -\dfrac{1}{2} + D
Soit D=−12D = -\dfrac{1}{2}. Donc :
1(u−1)(u+1)(u2+1)=14(u−1)−14(u+1)+Cu−12u2+1=14(u−1)−14(u+1)+2Cu−12(u2+1)\dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} + \dfrac{Cu-\dfrac{1}{2}}{u^2 + 1} = \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} + \dfrac{2Cu-1}{2(u^2 + 1)}
Posons maintenant u=2u=2, on a alors :
1(2−1)(2+1)(22+1)=14(2−1)−14(2+1)+2C2−12(22+1)   ⟺   115=14−112+4C−110\dfrac{1}{(2 - 1)(2 + 1) (2^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(2 - 1)} - \dfrac{1}{4(2 + 1)} + \dfrac{2C2-1}{2(2^2 + 1)} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{1}{15} = \dfrac{1}{4} - \dfrac{1}{12} + \dfrac{4C-1}{10}
Soit :
−110=4C−110   ⟺   −1=4C−1   ⟺   −1+1=4C   ⟺   0=4C   ⟺   0=C-\dfrac{1}{10} = \dfrac{4C-1}{10} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -1 = 4C-1 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, -1+1 = 4C \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = 4C \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = C
De fait :
1(u−1)(u+1)(u2+1)=14(u−1)−14(u+1)+−12(u2+1)=14(u−1)−14(u+1)−12(u2+1)\dfrac{1}{(u - 1)(u + 1) (u^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} + \dfrac{-1}{2(u^2 + 1)} = \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} - \dfrac{1}{2(u^2 + 1)}
Ce qui implique que :
F(x)=43∫(14(u−1)−14(u+1)−12(u2+1)) du+43u+QF(x) = \dfrac{4}{3} \int \left( \dfrac{1}{4(u - 1)} - \dfrac{1}{4(u + 1)} - \dfrac{1}{2(u^2 + 1)} \right) \, du + \dfrac{4}{3}u + Q
Soit :
F(x)=13∫(1u−1−1u+1−2u2+1) du+43u+QF(x) = \dfrac{1}{3} \int \left( \dfrac{1}{u - 1} - \dfrac{1}{u + 1} - \dfrac{2}{u^2 + 1} \right) \, du + \dfrac{4}{3}u + Q
Par linéarité, on obtient :
F(x)=13(∫1u−1 du−∫1u+1 du−∫2u2+1 du)+43u+QF(x) = \dfrac{1}{3} \left( \int \dfrac{1}{u - 1} \, du - \int \dfrac{1}{u + 1} \, du - \int\dfrac{2}{u^2 + 1} \, du \right)+ \dfrac{4}{3}u + Q
Ou encore :
F(x)=13(∫1u−1 du−∫1u+1 du−2∫1u2+1 du)+43u+QF(x) = \dfrac{1}{3} \left( \int \dfrac{1}{u - 1} \, du - \int \dfrac{1}{u + 1} \, du - 2\int\dfrac{1}{u^2 + 1} \, du \right)+ \dfrac{4}{3}u + Q
En primitivant, on obtient alors :
F(x)=13(ln⁡(∣u−1∣)−ln⁡(∣u+1∣)−2arctan⁡(u))+43u+G   (G∈R)F(x) = \dfrac{1}{3} \left( \ln \left( |u - 1 | \right) - \ln \left( |u + 1 | \right) - 2\arctan\left( u \right) \right)+ \dfrac{4}{3}u + G \,\,\, (G \in \mathbb{R})
En faisant usage des propriétés algébriques du logarithme népérien, on trouve que :
F(x)=13(ln⁡(∣u−1∣∣u+1∣)−2arctan⁡(u))+43u+G   (G∈R)F(x) = \dfrac{1}{3} \left( \ln \left( \dfrac{|u - 1 |}{|u + 1 |} \right) - 2\arctan\left( u \right) \right)+ \dfrac{4}{3}u + G \,\,\, (G \in \mathbb{R})
En faisant maintenant usage des propriétés algébriques de la valeur absolue, on trouve que :
F(x)=13(ln⁡(∣u−1u+1∣)−2arctan⁡(u))+43u+G   (G∈R)F(x) = \dfrac{1}{3} \left( \ln \left( \left|\dfrac{u - 1}{u + 1} \right| \right) - 2\arctan\left( u \right) \right)+ \dfrac{4}{3}u + G \,\,\, (G \in \mathbb{R})
D'où :
F(x)=13(ln⁡(∣u−1u+1∣)−2arctan⁡(u)+4u)+G   (G∈R)F(x) = \dfrac{1}{3} \left( \ln \left( \left|\dfrac{u - 1}{u + 1} \right| \right) - 2\arctan\left( u \right) + 4u \right) + G \,\,\, (G \in \mathbb{R})
Mais, on avait posé u=1+x34u = \sqrt[4]{1+x^3}, ce qui implique finalement que :
F(x)=13(ln⁡(∣1+x34−11+x34+1∣)−2arctan⁡(1+x34)+41+x34)+G   (G∈R)F(x) = \dfrac{1}{3} \left( \ln \left( \left|\dfrac{\sqrt[4]{1+x^3} - 1}{\sqrt[4]{1+x^3} + 1} \right| \right) - 2\arctan\left( \sqrt[4]{1+x^3} \right) + 4\sqrt[4]{1+x^3} \right) + G \,\,\, (G \in \mathbb{R})

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