Soit n un nombre entier naturel non nul. On appelle subdivisionσ de l'intervalle réel [a;b] la donnée d'un nombre fini de points x0;⋯;xn tel que x0=a, xn=b et x0<x1<⋯<xn−1<xn. On note par S l'ensemble de toutes des subdivisions de l'intervalle réel [a;b]. Le pas d'une subdivision (xi)i∈[[0;n]] est le nombre réel p=i∈[[0;n−1]max(xi+1−xi).
Fonction en escalier
Un fonction numérique univariée f, définie sur l'intervalle réel [a;b], est une fonctionenescalier s'il existe σ∈S telle que f soit constante, et égale à ℓi, sur chaque intervalle ouvert ]xi;xi+1[.
Intégrale d'une fonction en escalier
On appelle inteˊgrale de la fonction en escalier f, le nombre : I(f)=i=0∑n−1ℓi(xi+1−xi) Ce nombre est également noté : I(f)=∫abf(t)dt=∫abf ↬Remarques: LenombreI(f)estenfaituneairederectangles.Onl′exprimeenuniteˊd′aire(u.a.). LenombreI(f)nedeˊpendpasdelavaleurdefauxpointsxidelasubdivision.
Intégrale d'une fonction continue par morceaux
Fonction continue par morceaux
Une fonction f, définie sur l'intervalle [a;b], est une fonctioncontinueparmorceaux sur [a;b] s'il existe σ∈S telle que f soit continue sur chaque intervalle ouvert ]xi;xi+1[ et que f admette, en tout point de la subdivision, une limite finie à gauche et une limite finie à droite.
Approximation par une fonction en escalier
Soit f une fonction continue par morceaux sur l'intervalle [a;b]. Pour tout nombre réel ε strictement positif, il existe les deux fonctions φ et ψ en escalier sur [a;b] telles que : φ⩽f⩽ψetψ−φ⩽ε
Approximation par une fonction en escalier
Soit f une fonction continue par morceaux sur l'intervalle [a;b]. Il existe un nombre réel unique I tel que, pour toutes fonctions en escaliers sur [a;b]φ et ψ vérifiant φ⩽f⩽ψ, on ait : I(φ)⩽I⩽I(ψ) Ce nombre I s'appelle l′inteˊgrale de f sur [a;b], et se note I(f), ou ∫abf(x)dx, ou ∫abf, ou ∫[a;b]f. Ce nombre dépend donc de f, de a, de b mais pas de la variable d'intégration, notée ici x. Cette variable d'intégration est dite muette ce qui signifie que l'on peut la noter par toute lettre non retenue pour un autre usage. Pour a<b, on pose : ∫abf(x)dx=−∫baf(x)dx Puis pour c∈[a;b] on a : ∫ccf(x)dx=0
Interprétation géométrique
Le nombre réel ∫abf(x)dx représente l'aire A du domaine du plan situé sour la courbe représentative de f et entre les abscisses a et b :
Ce nombre est compté positivement si la courbe est au-dessus de l'axe des abscisses et ce nombre est compté négativement si la courbe est au-dessus de l'axe des abscisses :
Le nombre réel ∫abf(x)dx représente l'aire A du domaine du plan situé sour la courbe représentative de f et entre les abscisses a et b. En fait, ce nombre représente la somme des aires infinitésimales (infiniment petites), notée dA, de rectangles infinitésimaux dont, à l'abscisse x, la hauteur est donnée par f(x) et la largeur infinitésimale est donnée par dx. On a alors : A=∫abf(x)dx=∫abdAavec:dA=f(x)dx Ceci est représentée sur la figure suivante :
Propriétés d'une intégrale
On considère les deux fonctions numériques réelles, de R dans R, qui sont continues par morceaux sur les intervalles considérés.
∙Lineˊariteˊ Soit k un nombre réel. On a : ∫ab(f(x)+g(x))dx=∫abf(x)dx+∫abg(x)dx Et aussi : ∫ab(k×f(x))dx=k×∫abf(x)dx ∙RelationdeChasles On a la relation suivante : ∫abf(x)dx=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx ∙Relationd′ordre −Ordrefonctionnel Si a<b, et si f⩽g sur l'intervalle [a;b], alors on a : ∫abf(x)dx⩽∫abg(x)dx −Nulliteˊ Si f est une fonction numérique réelle, continue et positive sur l'intervalle [a;b], alors on a l'équivalence suivante : ∫abf(x)dx=0⟺∀x∈[a;b],f(x)=0
∙Majoration −Valeurabsolue Si a<b alors on a : ∣∣∫abf(x)dx∣∣⩽∫ab∣f(x)∣dx −Valeurmoyenne Soit f une fonction numérique continue sur l'intervalle [a;b]. Le nombre μ=b−a1∫abf(x)dx représente la valeur moyenne de la fonction f sur l'intervalle [a;b]. Soit m et M deux nombres réels tels que m⩽M. Si, pour tout nombre réel x de l'intervalle [a;b] on a m⩽f(x)⩽M, alors on a : m⩽b−a1∫abf(x)dx⩽M Ceci s'illustre par :
−Ineˊgaliteˊdelavaleurmoyenne Si a<b alors on a : ∣∣∫ab(f(x)×g(x))dx∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f(x)∣×∫ab∣g(x)∣dx Et en particulier si g=1 : ∣∣∫abf(x)dx∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f(x)∣×(b−a) −IneˊgaliteˊdeCauchy−Schwarz L'application (f,g)⟼∫ab(f(x)×g(x))dx définit un produit scalaire sur l'espace vectoriel des fonctions réelles continues sur l'intervalle [a;b]. L'inégalité de Cauchy−Schwarz est la suivante : ∣∣∫ab(f(x)×g(x))dx∣∣⩽∫abf2(x)dx×∫abg2(x)dx −IneˊgaliteˊdeMinkowski On considère les deux fonctions réelles continues sur l'intervalle [a;b]. On a l'inégalité suivante : ∫ab(f(x)+g(x))2dx⩽∫abf2(x)dx+∫abg2(x)dx −SommedeRiemann Soit n un nombre entier naturel non nul. On a l'égalité suivante : n⟶+∞lim(n1i=1∑n−1f(a+i×nb−a))=b−a1∫abf(x)dx Plus généralement, si (x0;⋯;xn) est une subdivision de l'intervalle [a;b] dont le pas tend vers zéro lorsque n tend vers l'infini, et ci un point quelconque de l'intervalle [xi;xi+1], on a alors l'égalité suivante : n⟶+∞limi=1∑n−1(xi+1−xi)f(ci)=∫abf(x)dx
Intégrale d'une fonction continue par morceaux à valeurs complexes .
Soit i le nombre complexe qui satisfait à i2=−1. Soit t⟼φ(t)=f(t)+ig(t) une fonction de R dans C, définie sur l'intervalle [a;b]. Si les deux fonctions f et g sont continues par morceaux sur l'intervalle [a;b] alors la fonction φ l'est également. L'intégrale de φ sur l'intervalle [a;b] est donnée par : ∫abφ(t)dt=∫abf(t)dt+i∫abg(t)dt Toutes les propriétés de l'intégrale d'une fonction numérique continue par morceaux, à valeurs réelles, qui ont encore un sens, sont prolongées. Donc on conserve la linéarité, la relation de Chasles et la majoration du module de l'intégrale qui s'exprime comme : ∣∣∫abφ(t)dt∣∣⩽∫ab∣φ(t)∣dt Mais attention, n'oubliez pas que la relation d'ordre n'a pas de sens dans C ! Ceci fait qu'il n'y a strictement aucun sens, dans C, d'écrire φ>0 ou φ1>φ2.
Calcul numérique d'une intégrale .
Le calcul de l'intégrale I=∫abf(x)dx est souvent très difficile, sinon impossible même. On peut cependant obtenir des valeurs approchées de I par diverses méthodes. Nous en présentons, ici, deux particulièrement simples. ∙Meˊthodedesrectangles Cette méthode consiste à approcher f par une fonction en escalier (d'où l'apparition de rectangles). On partage l'intervalle d'intégration [a;b] en n∈N⋆ segments de même longueur, notée h, et qui s'exprime comme : h=nb−a On obtient la valeur approchée, notée Rn, de I suivante : Rn=hk=0∑n−1f(a+kh) Lorsque la fonction f possède une fonction dérivée f′ bornée sur l'intervalle d'intégration [a;b], on majore l'erreur commise, en approchant I par Rn, par la relation suivante : ∣∣I−Rn∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′(x)∣×2n(b−a)2 Ou encore : ∣∣I−Rn∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′(x)∣×2nh2 Cette majoration permet, en autre, de déterminer le nombre n qui permet de satisfaire à un choix de précision souhaité au préalable. Si f est croissante sur l'intervalle d'intégration [a;b] alors l'approximation Rn est une valeur approchée par défaut. Si f est décroissante sur l'intervalle d'intégration [a;b] alors l'approximation Rn est une valeur approchée par excès. Cette méthode des rectangles se représente par le découpage suivant (n=8) :
∙Meˊthodedestrapeˋzes Cette méthode consiste à approcher le graphique de f par une ligne polygonale (d'où l'apparition de trapèzes). On partage l'intervalle d'intégration [a;b] en n∈N⋆ segments de même longueur, notée h, et qui s'exprime comme : h=nb−a On obtient la valeur approchée, notée Tn, de I suivante : Tn=h(2f(a)+f(b)+k=1∑n−1f(a+kh)) Lorsque la fonction f possède une fonction dérivée seconde f′′ bornée sur l'intervalle d'intégration [a;b], on majore l'erreur commise, en approchant I par Tn, par la relation suivante : ∣∣I−Tn∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′′(x)∣×12n2(b−a)3 Ou encore : ∣∣I−Tn∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′′(x)∣×12nh3 Cette majoration permet, en autre, de déterminer le nombre n qui permet de satisfaire à un choix de précision souhaité au préalable. Si f est convexe sur l'intervalle d'intégration [a;b] alors Tn⩾I (l'approximation Tn, de I, est par excès). Si la dérivée seconde f′′ existe sur l'intervalle d'intégration [a;b], alors f est convexe lorsque f′′(x)⩽0. Si f est concave sur l'intervalle d'intégration [a;b] alors Tn⩽I (l'approximation Tn, de I, est par défaut). Si la dérivée seconde f′′ existe sur l'intervalle d'intégration [a;b], alors f est concave lorsque f′′(x)⩾0. Cette méthode des trapèzes se représente par le découpage suivant (n=8) :
∙MeˊthodedeThomasSimpson(1710−1761) Cette méthode consiste à approcher la courbe représentative de f par une succession d'arcs de paraboles d'équations P(x)=αx2+βx+γ. A chaque fois, donc sur chaque segment de découpage, les trois coefficients réels α, β et γ se déterminent par les trois conditions : ⎩⎨⎧f(deˊbutdusegment)f(milieudusegment)f(findusegment)===P(deˊbutdusegment)P(milieudusegment)P(findusegment) Dans cette méthode de Simpson, on partage l'intervalle d'intégration [a;b] en 2n(n∈N⋆) segments de même longueur, notée h, et qui s'exprime comme : h=2nb−a On obtient la valeur approchée, notée S2n, de I suivante : S2n=3h(f(a)+f(b)+4k=0∑n−1f(a+(2k+1)h)+2k=1∑n−1f(a+(2k)h)) Lorsque la fonction f possède une fonction dérivée quatrième f′′′′ bornée sur l'intervalle d'intégration [a;b], on majore l'erreur commise, en approchant I par S2n, par la relation suivante : ∣∣I−S2n∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′′′′(x)∣×180(2n)4(b−a)5 Ou encore : ∣∣I−S2n∣∣⩽x∈[a;b]sup∣f′′′′(x)∣×180(2n)h5 Cette majoration permet, en autre, de déterminer le nombre n qui permet de satisfaire à un choix de précision souhaité au préalable. Cette méthode de Simpson se représente par le découpage qui est explicité sur la figure suivante avec la situation 2n=4. On a donc 4 segments de découpage de l'intervalle [a=x0;b=x8] qui sont [x0;x2], [x2;x4], [x4;x6] et [x6;x8], et dont les milieux respectifs sont x1=2x0+x2, x3=2x2+x4, x5=2x4+x6 et x7=2x6+x8. D'où :