Changement de variables

Objectifs

La méthode du changement de variable est très utile pour le calcul d'intégrale ou de primitive ; elle peut conduire à des erreurs si elle n'est pas appliquée avec soin. On peut aussi se compliquer la vie inutilement si on l'applique de travers.

Guide

Le théorème

Théorème : Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a b(fφ)(t)φ(t)dt= φ(a) φ(b)f(u)du.

Cas où le changement de variables est évident

On doit calculer a bh(x)dx ; on voit que x apparaît toujours par l'intermédiaire d'une expression plus complexe φ(x) et de sa dérivée φ(x) :
a bh(x)dx= a b(fφ)(x)φ(x)dx,
on fait alors le changement de variable u=φ(x) : On applique à la fonction f le théorème.
Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a bf(φ(x))φ(x)dx= φ(a) φ(b)f(u)du
Concrètement, on vérifie que la fonction varphi est C 1 sur [a,b] et on remplace
φ(x)par u
φ(x)dxpar du
les bornes a et bpar φ(a) et φ(b).
On obtient ainsi une nouvelle intégrale φ(a) φ(b)f(u)du égale à l'intégrale a bh(x)dx.

Remarque : Quand x vaut a, la nouvelle variable u=φ(x) vaut φ(a)...
Exemple

Exemple


Pour voir le théorème en même temps.
Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a bf(φ(x))φ(x)dx= φ(a) φ(b)f(u)du

Calculons I= 3 5 dx. La fonction à intégrer est de la forme f(exp(x 2)) où est la dérivée de φ(x)=exp(x 2) et où f est la fonction définie par f(u)=u 5. On fait donc le changement de variable u=exp(x 2) :


On obtient donc :
I= exp(3 2) exp(5 2)u 5du=[] exp(3 2) exp(5 2)=0.

Cas où le changement de variables n'est pas évident

On peut aussi utiliser la formule du théorème
Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a bf(φ(t))φ(t)dt= φ(a) φ(b)f(x)dx
de la droite vers la gauche. Pour calculer α βf(x)dxf est une fonction continue sur [α,β], on a envie de poser x=φ(t).
Contrairement à ce qu'il est souvent écrit, on n'a pas besoin de définir la fonction réciproque de varphi. Par contre, il est essentiel de trouver un intervalle [a,b] tel que On peut alors appliquer le théorème
Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a bf(φ(t))φ(t)dt= φ(a) φ(b)f(x)dx
pour faire le changement de variable x=φ(t) :
α βf(x)dx= a b(fφ)(t)φ(t)dt.
Concrètement, une fois choisie la fonction varphi : On obtient ainsi une nouvelle intégrale a bf(φ(t))φ(t)dt égale à l'intégrale α βf(x)dx.
Remarque :
Exemple typique Exercices corrigés

Exemple typique

Pour voir le théorème.
Soit varphi une fonction réelle de classe C 1 définie sur l'intervalle [a,b]. Soit f une fonction continue sur l'intervalle φ([a,b]). On a l'égalité :
a bf(φ(t))φ(t)dt= φ(a) φ(b)f(x)dx

On veut calculer l'intégrale I= 1 11x 2dx. On a envie de poser x=cos(t) et de prendre comme fonction varphi la fonction définie par φ(t)=cos(t) sur un intervalle à déterminer.

On dit ici que l'on fait le changement de variables x=cos(t) pour t compris entre 0 et pi. Il ne reste plus qu'à finir les calculs.

Sur l'intervalle [0,pi], la fonction sin est positive, on a donc :

I= 0 πsin 2(t)dt= 0 π12(1cos(2t))dt=pi2.
Remarquons que si on avait pris les bornes saugrenues a=7π et b=8π, la fonction sinn'aurait pas été positive entre 7π et 8π et le calcul aurait été moins simple !

Exercices corrigés

Exercice : Vous voulez calculer l'intégrale I= 0 11x 2dx. Le théorème justifie-t-il le changement de variables x=cos(t) pour t compris entre 6π et 112π ? Que vaut l'intégrale transformée ?
Solution
Oui, le théorème s'applique :
  • la fonction définie sur l'intervalle [ 112π,6π] par φ(t)=cos(t) est C 1.
  • Son image est contenue dans l'intervalle [-1,1]. On a
    cos(112π)=0 , cos(6π)=1
  • La fonction f définie sur [-1,1] par f(x)=1x 2 est continue sur [-1,1].
L'intégrale I est égale à
112π 6π1cos(t) 2(sin(t))dt

Bien que correct, le choix de cet intervalle est tout à fait déconseillé car la suite des calculs serait très compliquée puisqu'il faudrait séparer en intervalles où sin est de signe constant pour calculer sin(t)=1cos(t) 2.
Exercice : Soit I= 0 πdx2+cosx. Le théorème justifie-t-il le changement de variables x=Arctan(2t) ? Que choisirez-vous pour les bornes a et b de la nouvelle intégrale ?
Solution
Non, je ne peux pas trouver de nombres a et b vérifiant les deux conditions suivantes
  • Arctan(a)=0,Arctan(b)=π
  • la fonction xArctan(2x) est définie et C 1 sur l'intervalle [a,b] (ou [b,a]).

Par contre en transformant astucieusement, on peut utiliser dans ce cas le changement de variable dit évident ou conseillé, c'est-à-dire transformer 1/(2+cos(x)) par les formules de trigonométrie jusqu'à tomber sur une expression de la forme 1/(2+cos(x))=h(tg(x/2))tg(x/2). Sur quel intervalle peut-on alors prendre comme fonction varphi la fonction donnée par φ(x)=tg(x/2) ?

Changement de variables dans une primitive

Pour le calcul de la primitive F(x)= a xf(u)du sur l'intervalle [c,d] (avec a[c,d]), on applique le changement de variable u=φ(t) si on peut Pour remplir ces conditions, on est donc amené à choisir un changement de variable varphi bijectif sur [c,d] afin de pouvoir considérer la fonction réciproque psi de varphi sur φ 1([c,d]).
Concrètement,
La primitive F est alors définie sur [c,d] et on a en tout point x de [c,d]
F(x)= a xf(u)du= ψ(a) ψ(x)(fφ(t))φ(t)dt
Exemple :
F(x)= 0 x1u 2du(x[1,1])
Le changement de variable u=cos(t) appliqué à t compris entre 12π et Arccos(x) donne (par définition de Arccos, sin(t) est toujours positif ou nul pour t compris entre 12π et Arccos(x)) :
F(x)= π/2 Arccos(x)sin 2(t)dt= Arccos(x) π/212(1cos(2t))dt
F(x)=12(π/2Arccos(x)+sin(2Arccos(x))2)
F(x)=12(π/2Arccos(x)+sin(Arccos(x))cos(Arccos(x)))
F(x)=π412Arccos(x)+x21x 2

Exercices interactifs

Exercice : Dérivation d'une intégrale fonction des bornes

Exercice : Intégration interactive : changement de variables

document sur les méthodes d'intégration.
: integral, primitive,subst_integral, interactive mathematics, interactive math, server side interactivity

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