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5.7 : Intégrales aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses

  • Page ID
    197361
    • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
    • OpenStax
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    Objectifs d'apprentissage
    • Intégrer des fonctions aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses

    Dans cette section, nous nous concentrons sur les intégrales qui aboutissent à des fonctions trigonométriques inverses. Nous avons déjà travaillé avec ces fonctions. Rappelons que les fonctions trigonométriques ne sont pas univoques à moins que les domaines ne soient restreints. Lorsque vous travaillez avec des inverses de fonctions trigonométriques, nous devons toujours faire attention à prendre en compte ces restrictions. De plus, nous avons déjà développé des formules pour les dérivées de fonctions trigonométriques inverses. Les formules qui y sont développées donnent directement lieu à des formules d'intégration impliquant des fonctions trigonométriques inverses.

    Intégrales qui aboutissent à des fonctions trigonométriques inverses

    Commençons cette dernière section du chapitre par les trois formules. Parallèlement à ces formules, nous utilisons la substitution pour évaluer les intégrales. Nous prouvons la formule de l'intégrale sinusoïdale inverse.

    Règle : Formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses

    Les formules d'intégration suivantes fournissent des fonctions trigonométriques inverses :

    \[ \begin{align} ∫\dfrac{du}{\sqrt{a^2−u^2}} =\sin^{−1}\left(\dfrac{u}{a}\right)+C \\ ∫\dfrac{du}{a^2+u^2} =\dfrac{1}{a}\tan^{−1}\left(\dfrac{u}{a}\right)+C \\ ∫\dfrac{du}{u\sqrt{u^2−a^2}} =\dfrac{1}{a}\sec^{−1}\left(\dfrac{|u|}{a}\right)+C \end{align} \nonumber \]

    Preuve de la première formule

    Laissez\( y=\sin^{−1}\frac{x}{a}\). Alors\( a \sin y=x\). Maintenant, en utilisant la différenciation implicite, nous obtenons

    \[ \dfrac{d}{dx}(a \sin y)=\dfrac{d}{dx}(x) \nonumber \]

    \[ a\cos y\dfrac{dy}{dx}=1 \nonumber \]

    \[ \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{1}{a\cos y}. \nonumber \]

    Car\( −\dfrac{π}{2}≤y≤\dfrac{π}{2},\cos y≥0.\) Ainsi, en appliquant l'identité pythagoricienne\( \sin^2y+\cos^2y=1\), nous avons\( \cos y=\sqrt{1-\sin^2y}.\) Cela donne

    \[ \begin{align} \dfrac{1}{a \cos y} =\dfrac{1}{a\sqrt{1−\sin^2y}} \\ =\dfrac{1}{\sqrt{a^2−a^2 \sin^2y}} \\ =\dfrac{1}{\sqrt{a^2−x^2}}. \end{align} \nonumber \]

    Alors,\( −a≤x≤a,\) nous avons

    \[ ∫\dfrac{1}{\sqrt{a^2−u^2}}\,du=\sin^{−1}\left(\frac{u}{a}\right)+C. \nonumber \]

    Exemple\( \PageIndex{1}\): Evaluating a Definite Integral Using Inverse Trigonometric Functions

    Évaluer l'intégrale définie

    \[ ∫^{1/2}_0\dfrac{dx}{\sqrt{1−x^2}}. \nonumber \]

    Solution

    Nous pouvons passer directement à la formule de l'antidérivée dans la règle sur les formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses, puis évaluer l'intégrale définie. Nous avons

    \[\int_0^{1/2}\dfrac{dx}{\sqrt{1-x^2}} = \sin^{-1} x \,\bigg|_0^{1/2} = \sin^{-1} \tfrac{1}{2} - \sin^{-1} 0 = \dfrac{\pi}{6}-0 = \dfrac{\pi}{6}. \nonumber \]

    Notez que puisque l'integrand est simplement la dérivée de\(\sin^{-1} x\), nous utilisons simplement ce fait pour trouver l'antidérivé ici.

    Exercice\(\PageIndex{1}\)

    Trouvez l'intégrale indéfinie à l'aide d'une fonction trigonométrique inverse et d'une substitution par\(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{\sqrt{9−x^2}}\).

    Allusion

    Utilisez la formule dans la règle sur les formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses.

    Réponse

    \( \displaystyle ∫\dfrac{dx}{\sqrt{9−x^2}} \quad=\quad \sin^{−1}\left(\dfrac{x}{3}\right)+C \)

    Dans de nombreuses intégrales qui aboutissent à des fonctions trigonométriques inverses dans l'antidérivée, nous pouvons avoir besoin d'utiliser la substitution pour voir comment utiliser les formules d'intégration fournies ci-dessus.

    Exemple\( \PageIndex{2}\): Finding an Antiderivative Involving an Inverse Trigonometric Function using substitution

    Évaluez l'intégrale

    \[ ∫\dfrac{dx}{\sqrt{4−9x^2}}.\nonumber \]

    Solution

    Substitut\( u=3x\). Ensuite,\( du=3\,dx\) et nous avons

    \[ ∫\dfrac{dx}{\sqrt{4−9x^2}}=\dfrac{1}{3}∫\dfrac{du}{\sqrt{4−u^2}}.\nonumber \]

    En appliquant la formule avec\( a=2,\) nous obtenons

    \[ ∫\dfrac{dx}{\sqrt{4−9x^2}}=\dfrac{1}{3}∫\dfrac{du}{\sqrt{4−u^2}}=\dfrac{1}{3}\sin^{−1}\left(\dfrac{u}{2}\right)+C=\dfrac{1}{3}\sin^{−1}\left(\dfrac{3x}{2}\right)+C.\nonumber \]

    Exercice\(\PageIndex{2}\)

    Trouvez l'antidérivé de\(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{\sqrt{1−16x^2}}.\)

    Allusion

    Substitut\( u=4x\).

    Réponse

    \( \displaystyle ∫\dfrac{dx}{\sqrt{1−16x^2}} = \dfrac{1}{4}\sin^{−1}(4x)+C\)

    Exemple\( \PageIndex{3}\): Evaluating a Definite Integral

    Évaluer l'intégrale définie

    \[ ∫^{\sqrt{3}/2}_0\dfrac{du}{\sqrt{1−u^2}}\nonumber. \nonumber \]

    Solution

    Le format du problème correspond à la formule du sinus inverse. Ainsi,

    \[ ∫^{\sqrt{3}/2}_0\dfrac{du}{\sqrt{1−u^2}}=\sin^{−1}u\,\bigg|^{\sqrt{3}/2}_0=[\sin^{−1}\left(\dfrac{\sqrt{3}}{2}\right)]−[\sin^{−1}(0)]=\dfrac{π}{3}.\nonumber \]

    Intégrales résultant en d'autres fonctions trigonométriques inverses

    Il existe six fonctions trigonométriques inverses. Cependant, seules trois formules d'intégration sont notées dans la règle sur les formules d'intégration qui aboutissent à des fonctions trigonométriques inverses, car les trois autres sont des versions négatives de celles que nous utilisons. La seule différence est de savoir si l'integrand est positif ou négatif. Plutôt que de mémoriser trois autres formules, si l'integrand est négatif, il suffit de prendre en compte −1 et d'évaluer l'intégrale à l'aide de l'une des formules déjà fournies. Pour terminer cette section, nous examinons une autre formule : l'intégrale qui donne la fonction tangente inverse.

    Exemple\( \PageIndex{4}\): Finding an Antiderivative Involving the Inverse Tangent Function

    Trouvez l'antidérivé de\(\displaystyle ∫\dfrac{1}{9+x^2}\,dx.\)

    Solution

    Appliquez la formule avec\( a=3\). Ensuite,

    \[ ∫\dfrac{dx}{9+x^2}=\dfrac{1}{3}\tan^{−1}\left(\dfrac{x}{3}\right)+C. \nonumber \]

    Exercice\(\PageIndex{3}\)

    Trouvez l'antidérivé de\(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{16+x^2}\).

    Allusion

    Suivez les étapes de l'exemple\( \PageIndex{4}\).

    Réponse

    \(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{16+x^2} = \frac{1}{4}\tan^{−1}\left(\dfrac{x}{4}\right)+C \)

    Exemple\( \PageIndex{5}\): Applying the Integration Formulas WITH SUBSTITUTION

    Trouvez un antidérivé de\(\displaystyle ∫\dfrac{1}{1+4x^2}\,dx.\)

    Solution

    En comparant ce problème aux formules énoncées dans la règle sur les formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses, l'integrand ressemble à la formule de\( \tan^{−1} u+C\). Nous utilisons donc la substitution, le fait de laisser\( u=2x\), puis\( du=2\,dx\) et\( \dfrac{1}{2}\,du=dx.\) puis, nous avons

    \[ \dfrac{1}{2}∫\dfrac{1}{1+u^2}\,du=\dfrac{1}{2}\tan^{−1}u+C=\dfrac{1}{2}\tan^{−1}(2x)+C. \nonumber \]

    Exercice\(\PageIndex{4}\)

    Utilisez la substitution pour trouver l'antidérivé de\(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{25+4x^2}.\)

    Allusion

    Utilisez la stratégie de résolution de l'exemple\( \PageIndex{5}\) et la règle sur les formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses.

    Réponse

    \(\displaystyle ∫\dfrac{dx}{25+4x^2} = \dfrac{1}{10}\tan^{−1}\left(\dfrac{2x}{5}\right)+C \)

    Exemple\( \PageIndex{6}\): Evaluating a Definite Integral

    Evaluez l'intégrale définie\(\displaystyle ∫^{\sqrt{3}}_{\sqrt{3}/3}\dfrac{dx}{1+x^2}\).

    Solution

    Utilisez la formule pour la tangente inverse. Nous avons

    \[\int_{\sqrt{3}/3}^{\sqrt{3}} \frac{dx}{1+x^2} = \tan^{-1}x\,\bigg|_{\sqrt{3}/3}^{\sqrt{3}} = [\tan^{-1}\left(\sqrt{3}\right)] - [\tan^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}}{3}\right)] =\frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{6} =\frac{\pi}{6}.\nonumber \]

    Exercice\(\PageIndex{5}\)

    Evaluez l'intégrale définie\(\displaystyle ∫^2_0\dfrac{dx}{4+x^2}\).

    Allusion

    Suivez les procédures de l'exemple\(\PageIndex{6}\) pour résoudre le problème.

    Réponse

    \(\displaystyle ∫^2_0\dfrac{dx}{4+x^2} = \dfrac{π}{8} \)

    Concepts clés

    • Les formules pour les dérivées de fonctions trigonométriques inverses développées dans Dérivées de fonctions exponentielles et logarithmiques mènent directement à des formules d'intégration impliquant des fonctions trigonométriques inverses.
    • Utilisez les formules répertoriées dans la règle sur les formules d'intégration aboutissant à des fonctions trigonométriques inverses pour obtenir le bon format et apporter les modifications nécessaires pour résoudre le problème.
    • La substitution est souvent nécessaire pour mettre l'integrand dans la forme correcte.

    Équations clés

    • Intégrales produisant des fonctions trigonométriques inverses

    \(\displaystyle ∫\dfrac{du}{\sqrt{a^2−u^2}}=\sin^{−1}\left(\dfrac{u}{a}\right)+C\)

    \(\displaystyle ∫\dfrac{du}{a^2+u^2}=\dfrac{1}{a}\tan^{−1}\left(\dfrac{u}{a}\right)+C\)

    \(\displaystyle ∫\dfrac{du}{u\sqrt{u^2−a^2}}=\dfrac{1}{a}\sec^{−1}\left(\dfrac{|u|}{a}\right)+C\)

    Contributeurs et attributions