Intégration des fonctions trigonométriques

Primitivation des fonctions polynômes en \(\sin x,\) \(\cos x.\)

Forme :\( I = \int P(\sin x, \cos x) dx = \int \sin ^px \cos ^q x dx~~ (p, q \in\mathbb N)\)

  • si \(p\) est impair, on peut poser \(\color{red}u = \cos x\)

  • si \(q\) est impair, on peut poser \(\color{red}u = \sin x\)

  • si \(p\) et \(q\) sont impairs, on peut poser \(\color{red}u = \sin x\) ou \(\color{red}u = \cos x\) ou \(\color{red}u = \cos 2x\)

  • si \(p\) et \(q\) sont pairs, on pourra linéariser, puis primitiver.

Exemple

\(\boxed{I_1 = \int \sin^3x \cos^2x dx}\)

\(I_1 = \int \sin^2x \cos^2x \sin x dx = \int (1 - \cos^2x) \cos^2x \sin x dx\)

Posons \(u = \cos x \Leftrightarrow du = - \sin x dx\)

d'où \(I_1=-\int(1-u^2)u^2du=-\int(u^2-u^4)du=-\frac{u^3}{3}+\frac{u^5}{5}+C\)

\(\color{red}I_1=-\frac13\cos^3x+\frac15\cos^5x+C\)

Exemple

\(\boxed{I_2 = \int \sin^2x \cos^3x dx}\)

\(I_2 = \int \sin^2x \cos^2x \cos x dx = \int \sin ^2x (1 -\sin ^2x) \cos x dx\)

Posons \(u = \sin x \Leftrightarrow du = \cos x dx\)

d'où \(I_2=\int u^2(1-u^2)du=\int(u^2-u^4)du=\frac{u^3}{3}-\frac{u^5}{5}+C\)

\(\color{red}I_2=\frac13\sin^3x-\frac15\sin^5x+C\)

Exemple

\(\boxed{I_3 = \int \sin^3x \cos x dx}\)

\(I_3=\int\sin^2x\sin x\cos xdx=\int(\frac{1-\cos2x}{2})\frac12\sin2xdx\)

Posons \(u = \cos 2x \Leftrightarrow du = -2 \sin 2x dx\)

d'où

\(I_3=-\frac18\int(1-u)du=-\frac18(u-\frac{u^2}2)+C\)

\(\color{red}I_3=-\frac18(\cos^22x-\frac12\cos^2x)+C\)

Exemple

\(\boxed{I_4 = \int \sin^2x \cos^2x dx}\)

\(I_4=\int\sin^2x\cos^2xdx=\frac14\int\sin^22xdx=\frac14\int\frac{1-\cos4x}2dx\)

\(=\frac18[\int dx-\int\cos4xdx]\)

d'où : \(\color{red}I_4\color{black}=\frac18x-\frac{1}{32}\sin4x+C\)

Forme : \(I = \int \sin px \cos qx dx~;~ J = \int \sin px \sin qx dx~ ~; K = \int \cos px \cos qx dx ~~(p, q \in\mathbb R)\)

Transformer les produits en sommes par l'utilisation des formules trigonométriques :

  • \(\color{red}\sin p\cos q\color{black}=\frac{1}{2}[\sin(p+q)+\sin(p-q)]\)

  • \(\color{red}\sin p\sin q\color{black}=\frac{1}{2}[\cos(p-q)-\cos(p+q)]\)

  • \(\color{red}\cos p\cos q\color{black}=\frac{1}{2}[\cos(p+q)+\cos(p-q)]\)

Exemple

\(\boxed{I_5 = \int \sin 2x \cos 3x dx}\)

\(\sin2x\cos3x=\frac12[\sin(2x+3x)+\sin(2x-3x)]=\frac12(\sin5x-\sin x)\)

d'où \(I_5=\frac12\int(\sin5x-\sin x)dx=\color{red}-\frac1{10}\cos5x+\frac12\cos x+C\)

Exemple

\(\boxed{I_6 = \int \sin 3x \sin 2x dx}\)

\(\sin3x\sin2x=\frac12[\cos(3x-2x)-\cos(3x+2x)]=\frac12(\cos x-\cos5 x)\)

d'où \(I_6=\frac12\int(\cos x-\cos5 x)dx=\color{red}\frac12\sin x-\frac1{10}\sin5 x+C\)

Exemple

\(\boxed{I_7 = \int \cos 3x \cos 4x dx}\)

\(\cos3x\cos4x=\frac12[\cos(3x+4x)+\cos(3x-4x)]\\=\frac12(\cos7x+\cos x)\)

d'où \(I_7=\frac12\int(\cos7x+\cos x)dx=\color{red}\frac12\sin x+\frac1{14}\sin7x+C\)

Primitivation des fractions rationnelles en \(\sin x,~ \cos x\)

Forme : \(I = \int F(\sin x, \cos x) dx\)

Par changement de variable, on se ramène à la recherche de primitives d'une fraction rationnelle d'une variable \(t.\)

Méthode générale

Poser \(t=\tan\frac x2\) (pour \(t\in\mathbb R\) et \(-\pi<x<\pi)\) \(\Leftrightarrow\color{red}x=2\arctan t~~dx=\frac{2dt}{1+t^2}\)

sachant que \(\sin x=\frac{2t}{1+t^2}\); \(\cos x=\frac{1-t^2}{1+t^2}\);\(\tan x=\frac{2t}{1-t^2}\)

Nous obtenons \(\color{red}I=\int F(\sin x,\cos x)dx=\int F(\frac{2t}{1+t^2},\frac{1-t^2}{1+t^2})\frac2{1+t^2}dt\)qui est une fraction rationnelle en \(t\) (dont la primitivation demande souvent de longs calculs).

Exemple

\(\boxed{I_8=\int\frac{\sin x}{1+\cos x}dx~~(x\neq(2k+1)\pi)~~k\in\mathbb Z}\)

Posons \(t = \tan(x / 2)\) d'où

\(x=2\arctan t\Leftrightarrow dx=\frac{2dt}{1+t^2}\)

avec \(\sin t = \frac{2t}{1+t^2}\) et \(\cos t=\frac{1-t^2}{1+t^2}\)

et

\(I_8=\int\frac{2t}{(1+t^2)(1+\frac{1-t^2}{1+t^2})}\frac{2}{1+t^2}dt\)

\(=\int\frac{2t}{1+t^2}dt=\ln(1+t^2)+C\)

\(\color{red}I_8=\ln(1+\tan^2\frac{x}{2})+C_1\) (avec \(C_1=C+\ln 2)\)

Autres expressions :

\(1+\tan^2 \frac x2=\frac1{\cos^2 \frac x2}\Rightarrow I_8=-\ln\cos^2\frac x2+C\)

ou \(I_8=-\ln\frac{|1+\cos x|}2+C\) ou \(I_8=-\ln|1+\cos x|+C\)

Méthode particulière : Règles de Bioche

Posons\( \omega(x) = F( \sin x, \cos x)\) dx l'élément différentiel à primitiver.

  • si \(\color{red}\omega(-x) = \omega(x)\) alors \(\int F(\sin x, \cos x) dx\) se calcule par le changement de variable \(\color{red} t = \cos x\)

  • si \(\color{red}\omega(\pi - x) = \omega(x)\) alors \(\int F(\sin x, \cos x) dx\) se calcule par le changement de variable \(\color{red}t = \sin x\)

  • si \(\color{red}\omega(\pi + x) = \omega(x)\) alors \(\int F(\sin x, \cos x) dx\) se calcule par le changement de variable \(\color{red}t = \tan x\)

Cette méthode est à privilégier car elle simplifie "bien souvent" les calculs.

Exemple

\(\boxed{I_8=\int\frac{\sin x}{1+\cos x}dx~~(x\neq(2k+1)\pi)~~k\in\mathbb Z}\)

Posons \(\omega(x)=\frac{\sin x}{1+\cos x}dx\)l'élément différentiel.

Comme\(\omega(-x)=\frac{\sin(-x)d(-x)}{1+\cos(-x)}=\frac{\sin xdx}{1+\cos x}=\omega(x)\)

Posons \(\color{blue}t = \cos x\) d'où \(\color{blue}dt = - \sin x dx\) alors :

\(I_8=\int-\frac{dt}{1+t}=-\ln|1+t|+C\)

\(\color{red}I_8=-\ln|1+\cos x|+C\)

Exemple

\(\boxed{I_9=\int\frac{\sin x\cos x}{\sin x + 1}dx~~(x\neq\frac{3\pi}{2}+k\pi)~~k\in \mathbb Z}\)

Posons \(\omega(x)=\frac{\sin x\cos x}{\sin x + 1}dx\)l'élément différentiel

Comme

\(\omega(\pi-x)=\frac{\sin (\pi-x)\cos (\pi-x)d(\pi-x)}{\sin(\pi- x) + 1}\)

\(=\frac{\sin x(-\cos x)d(-x)}{\sin x+1}=\omega(x)\)

Posons \(\color{blue}t = \sin x\) d'où \(\color{blue}dt = \cos x dx\) alors :

\(I_9=\int \frac t{t+1}dt=\int\frac{t+1-1}{t+1}dt\\=\int dt-\int\frac{dt}{t+1}\\=t-\ln|t+1|+C\)

d'où \(\color{red}I_9 = \sin x - \ln (1 + \sin x) + C\)

Exemple

\(\boxed{I_{10}=\int\frac{dx}{1+\sin^2x}}\)

Posons \(\omega(x)=\frac{dx}{1+\sin^2x}\)l'élément différentiel

Comme

\(\omega(\pi+x)=\frac{d(\pi+x)}{1+\sin^2(\pi+x)}\\=\frac{dx}{1+(-\sin x)^2}=\omega(x)\)

Posons \(\color{blue}t = \tan x\) d'où \(\color{blue}dt = (1 + \tan^2 x) dx = (1 + t^2) dx\) alors :

\(I_{10}=\int\frac{dt}{(1+t^2)[1+\frac{t^2}{1+t^2}]}=\int\frac{dt}{1+2t^2}\)

\(=\frac1{\sqrt2}\arctan t\sqrt2+C\)

\(\color{red}I_{10}=\frac{1}{\sqrt 2}\arctan(\sqrt2\tan x)+C\)

Formes particulières

Formes \(I_n=\int\frac{dx}{\cos^nx}\) et \(J_n=\int\frac{dx}{\sin^nx}~~n\in\mathbb N^*\)

  • 1er cas : \(n\) est pair poser \(\color{red}t = \tan x\)

  • 2ème cas : \(n\) est impair poser \(\color{red}t = \tan (x / 2)\)

Exemple

\(\boxed{I=\int\frac{dx}{\cos^2x}}\)

\(n = 2\) est pair :

Posons \(\color{blue}t = \tan x\color{black}\Leftrightarrow \color{blue}dt\color{black} = (1 + \tan^2 x) dx =\color{blue} dx / \cos^2 x\)

d'où \(\color{red}I\color{black} = \int dt = t + C =\color{red} \tan x + C\)

Exemple

\(\boxed{J=\int\frac{dx}{\sin x}}\)

\(n = 1\) est impair :

Posons \(\color{blue}t = \tan (x / 2)\color{black} ⇔ x = 2 \arctan t\) et \(\color{blue}dx = 2dt / (1 + t^2)\)

Sachant que \(\sin x = 2t / (1 + t^2),\) nous obtenons :

\(\color{red}J\color{black}=\int\frac{2dt}{(1+t^2)\frac{2t}{1+t^2}}=\int\frac{dt}{t}\\=\ln|t|+C=\color{red}\ln|\tan\frac{x}{2}|+C\)

Forme \(K_n = \int \tan ^nx dx ,~~ n \in\mathbb Z^*\)

  • 1er cas : \(n\) est pair poser \(\color{red}t = \tan x\) ( si \(n\) est positif, ajouter et retrancher \(1\) pour faire apparaître la différentielle de \(\tan x)\)

  • 2ème cas : \(n\) est impair poser \(\color{red}t = \sin x\) ou \(\color{red}t = \cos x\) ou \(\color{red}t = \tan x\)

    (on préférera \(t = \cos x\) si \(n >0,\) et \(t = \sin x\) si \(n<0)\)

Exemple

\(\boxed{K = \int \tan^2 x dx}\)

\(n = 2\) est pair et positif:

Ajoutons et retranchons \(1\) :

\(K = \int (\tan^2 x + 1 - 1) dx\\= \int (\tan^2 x + 1) dx - \int dx\)

\(\color{red}K = \tan x - x + C\)

Exemple

\(\boxed{L=\int\frac{1}{\tan x}dx}\)

\(n = -1\) est impair et négatif:

Posons \(\color{blue}t = \sin x \color{black}\Leftrightarrow \color{blue}dt = \cos x dx\)

\(\color{red}L\color{black}=\int\frac1{\tan x}dx=\int\frac{\cos x}{\sin x}dx\\=\frac{dt}{t}=\color{red}\ln|t|+C\)

\(\color{red}L = \ln |\tan x| + C\)

Intégration des fonctions polynômes et des fractions rationnelles en \(\sin x,\) \(\cos x.\)

Les méthodes d'intégration sont celles employées dans la recherche des primitives avec changement de bornes lors d'un changement de variable.

Exemple

\(\boxed{I_{11}=\int_0^1\frac{dx}{(1+x^2)^2}}\)

Posons \(\color{blue}x = \tan t\) d'où \(\color{blue}t = \arctan x\)

et \(\color{blue}dt = dx / (1 + x^2)\) avec les changements de bornes :

\(t_1 = \arctan 0 = 0\)

\(t_2 = \arctan 1 = \pi / 4\)

d'où

\(\color{red}I_{11}\color{black}=\int_0^{\pi/4}\frac{(1+\tan^2t)dt}{(1+\tan^2t)^2}=\int_0^{\pi/4}\frac{dt}{(1+\tan^2t)}\\\int_0^{\pi/4}\cos^2tdt=\int_0^{\pi/4}\frac{1+\cos2t}{2}dt\\=[\frac t2+\frac{\sin 2t}{4}]_0^{\pi/4}=\frac{\pi}8+\frac14=\color{red}\frac{\pi+2}{8}\)