- En utilisant une intĂ©gration par changement de variable, calculer l'intĂ©grale : (poser $t = \arctan u$) \[ I = \int_{\frac{\pi}{3}}^x \frac{2dt}{\sin(2t)(\tan t - 1)} \quad \text{oĂč } x \in \left[\frac{\pi}{3}; \frac{\pi}{2}\right[ \]
- Soit $x \in \left[\frac{\pi}{3}; \frac{\pi}{2}\right[$. On considÚre la fonction $v$ définie sur $\left[\frac{\pi}{3}; x\right]$ par :
\[ v(t) = \frac{1}{1-\tan t}\]
- Calculer $v'(t)$ pour tout $t \in \left[\frac{\pi}{3}; x\right]$.
- Calculer l'intégrale : $$J = \int_{\frac{\pi}{3}}^x \frac{1+\tan^2 t}{(1-\tan t)^2} \ln(\tan t) \,dt$$
Bac Sciences Mathématiques & Lycée
Calcul intégral
ĂnoncĂ© avec corrigĂ© dĂ©taillĂ©
Conseil méthodologique : Cherchez attentivement cet exercice au brouillon pendant 15 à 30 minutes avant de consulter la solution détaillée ci-dessous.
ĂnoncĂ© de l'exercice :
Solution Détaillée & Corrigé Pas à Pas Corrigé complet
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Calcul de l'intégrale $I$ par changement de variable
- On a:
- $u = \tan t \iff t = \arctan u$.
- $dt = \frac{du}{1+u^2}$
- Changement des bornes :
- $t = \frac{\pi}{3}\implies u = \sqrt{3}$.
- $t = x \implies u = \tan x$.
- En outre: \[\sin(2t) = \frac{2\tan t}{1+\tan^2 t} = \frac{2u}{1+u^2}\] Et donc, l'intégrale I devient : \[ I = \int_{\sqrt{3}}^{\tan x} \frac{2 \frac{du}{1+u^2}}{\frac{2u}{1+u^2}(u - 1)} = \int_{\sqrt{3}}^{\tan x} \frac{1}{u(u-1)} \, du \]
- Par décomposition en éléments simples, on a $\frac{1}{u(u-1)} = \frac{1}{u-1} - \frac{1}{u}$.
\[ I = \int_{\sqrt{3}}^{\tan x} \left( \frac{1}{u-1} - \frac{1}{u} \right) \, du \] - On intĂšgre directement :
\[ I = \left[ \ln|u-1| - \ln|u| \right]_{\sqrt{3}}^{\tan x} = \left[ \ln\left( \frac{u-1}{u} \right) \right]_{\sqrt{3}}^{\tan x} \] - Puisque $x \in \left[\frac{\pi}{3}; \frac{\pi}{2}\right[$, $\tan x \ge \sqrt{3} > 1$, les valeurs sont positives. Finalement :
\[ I = \ln\left(\frac{\tan x - 1}{\tan x}\right) - \ln\left(\frac{\sqrt{3} - 1}{\sqrt{3}}\right) \]
- On a:
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Ătude de la fonction $v$ et calcul de $J$
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- On a : \[ v'(t) = - \frac{-\left(1+\tan^2 t\right)}{(1-\tan t)^2} = \frac{1+\tan^2 t}{(1-\tan t)^2} \]
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- On remarque que l'intégrande de $J$ correspond au produit $v'(t) \ln(\tan t)$. Par intégration par parties :
\[ J = \int_{\frac{\pi}{3}}^x \left( \frac{1}{1-\tan t} \right)' \ln(\tan t) \,dt = \left[ \frac{\ln(\tan t)}{1-\tan t} \right]_{\frac{\pi}{3}}^x - \int_{\frac{\pi}{3}}^x \frac{1}{1-\tan t} \frac{1+\tan^2 t}{\tan t} \,dt \] - Simplifions l'expression sous la seconde intégrale :
\[ \frac{1+\tan^2 t}{\tan t(1-\tan t)} = - \frac{1+\tan^2 t}{\tan t(\tan t - 1)} = - \frac{2}{\sin(2t)(\tan t - 1)} \] - On reconnaßt exactement l'opposé de l'intégrande de $I$. Par conséquent :
\[ J = \left[ \frac{\ln(\tan t)}{1-\tan t} \right]_{\frac{\pi}{3}}^x - (-I) = \left[ \frac{\ln(\tan t)}{1-\tan t} \right]_{\frac{\pi}{3}}^x + I \] - En substituant les bornes et la valeur de $I$ :
\[ J = \frac{\ln(\tan x)}{1-\tan x} - \frac{\ln(\sqrt{3})}{1-\sqrt{3}} + \ln\left(\frac{\tan x - 1}{\tan x}\right) - \ln\left(\frac{\sqrt{3} - 1}{\sqrt{3}}\right) \]
- On remarque que l'intégrande de $J$ correspond au produit $v'(t) \ln(\tan t)$. Par intégration par parties :
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