Vers la Prépa (2) - Exercice 1

1 h 10 min
100
Cet exercice nécessite des prises d'initiatives personnelles.
Question 1
Répondre aux trois questions suivantes :

Déterminer la valeur exacte de l'intégrale I\mathcal{I} suivante : I=∫1e1ex+1 dx\mathcal{I} = \int_{1}^{e} \dfrac{1}{e^x + 1 }\, dx

Correction
L'intégrale I\mathcal{I} peut s'écrire comme :
I=∫1e1ex+1 dx     ⟺     I=∫1ee−xexe−x+e−x dx     ⟺     I=∫1ee−x1+e−x dx\mathcal{I} = \int_{1}^{e} \dfrac{1}{e^x + 1 }\, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{1}^{e} \dfrac{e^{-x}}{e^x e^{-x} + e^{-x} }\, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \int_{1}^{e} \dfrac{e^{-x}}{1 + e^{-x} }\, dx
Ce qui va pouvoir s'écrire :
I=−∫1e−e−x1+e−x dx     ⟺     I=−[ln⁡(1+e−x)]1e     ⟺     I=[ln⁡(1+e−x)]e1\mathcal{I} = - \int_{1}^{e} \dfrac{- e^{-x}}{1 + e^{-x} }\, dx \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\mathcal{I} = - \left[ \ln \left( 1 + e^{-x} \right) \right]_{1}^{e}\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \mathcal{I} = \left[ \ln \left( 1 + e^{-x} \right) \right]_{e}^{1}
Soit :
I=ln⁡(1+e−1)−ln⁡(1+e−e)\mathcal{I} = \ln \left( 1 + e^{-1} \right) - \ln \left( 1 + e^{-e} \right)
Finalement, on a :
I=ln⁡(1+e−11+e−e) u.a.\boxed{\mathcal{I} = \ln \left( \dfrac{1 + e^{-1}}{1 + e^{-e}} \right) \, u.a.}
Question 2

Calculer l' intégrale suivante : I=∫0π4cos⁡4(x) dxI = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^4(x) \, dx

Correction
On a :
I=∫0π4cos⁡4(x) dx=∫0π4(cos⁡2(x))2 dx=∫0π4(1+cos⁡(2x)2)2 dxI = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos^4(x) \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} (\cos^2(x))^2 \, dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \left( \dfrac{1+ \cos(2x)}{2} \right)^2 \, dx
Ce qui nous donne :
I=14∫0π4(1+cos⁡(2x))2 dx=14∫0π41+2cos⁡(2x)+cos⁡2(2x) dxI = \dfrac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \left( 1+ \cos(2x) \right)^2 \, dx = \dfrac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} 1+ 2\cos(2x) + \cos^2(2x) \, dx
Soit encore :
I=14∫0π41+2cos⁡(2x)+1+cos⁡(4x)2 dxI = \dfrac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} 1+ 2\cos(2x) + \dfrac{1+ \cos(4x)}{2} \, dx
D'où :
I=14∫0π41+2cos⁡(2x)+12+12cos⁡(4x) dxI = \dfrac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} 1+ 2\cos(2x) + \dfrac{1}{2} + \dfrac{1}{2} \cos(4x) \, dx
Ce qui s'écrit encore :
I=14∫0π432+2cos⁡(2x)+12cos⁡(4x) dxI = \dfrac{1}{4} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \dfrac{3}{2} + 2\cos(2x) + \dfrac{1}{2} \cos(4x) \, dx
Donc, on va avoir :
I=38∫0π41 dx+12∫0π4cos⁡(2x) dx+18∫0π4cos⁡(4x) dxI =\dfrac{3}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} 1 \, dx + \dfrac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos(2x) \, dx + \dfrac{1}{8} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \cos(4x) \, dx
En intégrant, on obtient :
I=38[x]0π4+12[sin⁡(2x)2]0π4+18[sin⁡(4x)4]0π4I = \dfrac{3}{8} \left[ x \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} + \dfrac{1}{2} \left[ \dfrac{\sin(2x)}{2} \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} + \dfrac{1}{8} \left[ \dfrac{\sin(4x)}{4} \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}}
D'où :
I=38×π4+14[sin⁡(2x)]0π4+132[sin⁡(4x)]0π4I =\dfrac{3}{8} \times \frac{\pi}{4} + \dfrac{1}{4} \left[ \sin(2x) \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} + \dfrac{1}{32} \left[ \sin(4x) \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}}
Soit encore :
I=3π32+14(sin⁡(2π4)−sin⁡0)+132(sin⁡(4π4)−sin⁡0)I = \dfrac{3\pi}{32} + \dfrac{1}{4} \left( \sin\left(2\dfrac{\pi}{4}\right) - \sin 0 \right) + \dfrac{1}{32} \left( \sin\left(4\dfrac{\pi}{4}\right) - \sin 0 \right)
Ce qui nous donne :
I=3π32+14(sin⁡π2−0)+132(sin⁡π−0)I = \dfrac{3\pi}{32} + \dfrac{1}{4} \left( \sin\dfrac{\pi}{2} - 0 \right) + \dfrac{1}{32} \left( \sin \pi - 0 \right)
D'où :
I=3π32+14(1−0)+132(0−0)I = \dfrac{3\pi}{32} + \dfrac{1}{4} \left( 1 - 0 \right) + \dfrac{1}{32} \left( 0 - 0 \right)
Donc, on obtient :
I=3π32+14    ⟺    I=3π32+832I = \dfrac{3\pi}{32} + \dfrac{1}{4} \,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\, I = \dfrac{3\pi}{32} + \dfrac{8}{32}
Finalement, on obtient le résultat suivant :
I=3π+832  u.a.\boxed{I = \dfrac{3\pi + 8}{32} \,\, u.a.}
Question 3

Calculer la quantité J\mathcal{J} suivante : J=∫−1222x3sin⁡2(x)ln⁡(1+x2) dx\mathcal{J} = \int_{-\frac{1}{\sqrt{2}}}^{\frac{\sqrt{2}}{2}} x^3 \sin^2(x) \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) }\, dx

Correction
On constate que :
22=22×2=12\frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2} \times \sqrt{2}} = \dfrac{1}{\sqrt{2}}
Donc l'intégrale JJ devient :
J=∫−1212x3sin⁡2(x)ln⁡(1+x2) dx\mathcal{J} = \int_{-\frac{1}{\sqrt{2}}}^{\frac{1}{\sqrt{2}}} x^3 \sin^2(x) \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) }\, dx
Étudions la parité de l'expression g(x)=x3sin⁡2(x)ln⁡(1+x2)g(x)= x^3 \sin^2(x) \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) }. On a :
∀x∈R,(−x∈R), g(−x)=(−x)3sin⁡2((−x))ln⁡(1+(−x)2)\forall x \in \mathbb{R}, (- x \in \mathbb{R}), \, g(-x) = (-x)^3 \sin^2((-x)) \sqrt{\ln\left( 1+(-x)^2\right) }
Ce qui nous donne :
∀x∈R,(−x∈R), g(−x)=−x3(−sin⁡(x))2ln⁡(1+x2)\forall x \in \mathbb{R}, (- x \in \mathbb{R}), \, g(-x) = - x^3 (-\sin(x))^2 \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) }
Soit encore :
∀x∈R,(−x∈R), g(−x)=−x3(sin⁡(x))2ln⁡(1+x2)\forall x \in \mathbb{R}, (- x \in \mathbb{R}), \, g(-x) = - x^3 (\sin(x))^2 \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) }
D'où :
∀x∈R,(−x∈R), g(−x)=−g(x)\forall x \in \mathbb{R}, (- x \in \mathbb{R}), \, g(-x) = - g(x)
Donc l'expression g(x)=x3sin⁡2(x)ln⁡(1+x2)g(x)= x^3 \sin^2(x) \sqrt{\ln\left( 1+x^2\right) } est impaire. Finalement, l'intégrale d'une fonction impaire sur un intervalle symétrique est automatiquement nulle de part son interprétation géométrique. Ainsi, on a :
J=0  u.a.\boxed{\mathcal{J} = 0 \,\, u.a.}

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