1. Primitives

À retenir

Soit \(f\) une fonction définie sur un intervalle \(I\). On appelle primitive de \(f\) toute fonction \(F\) dérivable sur \(I\) vérifiant \(F'(x)=f(x)\). Si \(f\) admet une primitive \(F\), toutes les primitives de \(f\) sont les fonctions \(F(x)+k\) (\(k\) réel quelconque). Avec une condition initiale \(F(x_0)=y_0\), il existe une unique primitive vérifiant cette condition — le principe utilisé pour retrouver une charge électrique ou une position à partir d'une vitesse.

Fonction \(f\)Une primitive \(F\)Domaine
\(k\) (constante)\(kx\)\(\mathbb{R}\)
\(x^n\) (\(n\geqslant1\))\(\dfrac{x^{n+1}}{n+1}\)\(\mathbb{R}\)
\(1/x^2\)\(-1/x\)\(]-\infty\,;0[\) ou \(]0\,;+\infty[\)
\(1/x\)\(\ln(x)\)\(]0\,;+\infty[\)
\(e^x\)\(e^x\)\(\mathbb{R}\)
\(\cos(x)\)\(\sin(x)\)\(\mathbb{R}\)
\(\sin(x)\)\(-\cos(x)\)\(\mathbb{R}\)
1Primitives immédiates · Socle

En utilisant directement le tableau ci-dessus : 1. \(f(x)=4\)   2. \(f(x)=x^3\)   3. \(f(t)=t^5\).

Voir la correction

1. Primitive d'une constante \(k=4\) : \(F(x)=4x\).

2. Avec \(n=3\) : \(\dfrac{x^{3+1}}{3+1}=\dfrac{x^4}{4}\), donc \(F(x)=\dfrac{x^4}{4}\).

3. Avec \(n=5\) : \(F(t)=\dfrac{t^6}{6}\).

2Combiner plusieurs termes (linéarité) · Consolidation

1. \(f(x)=x^2-3x\)   2. \(g(x)=5x^3\).

Voir la correction

1. Primitive de \(x^2\) : \(x^3/3\). Primitive de \(-3x\) : \(-3\times x^2/2=-\tfrac32x^2\). Donc \(F(x)=\dfrac{x^3}{3}-\dfrac32x^2\).

2. Primitive de \(x^3\) : \(x^4/4\), donc primitive de \(5x^3\) : \(5\times x^4/4\). \(G(x)=\dfrac{5x^4}{4}\).

On peut toujours vérifier en dérivant le résultat trouvé : c'est le meilleur réflexe de contrôle après un calcul de primitive.

2. Opérations sur les primitives

À retenir — formes u' × g(u)

Trois formes reviennent constamment (\(n\) entier relatif, \(n\neq-1\)) :

Forme de \(f\)Une primitive \(F\)Condition
\(u'u^n\)\(\dfrac{u^{n+1}}{n+1}\)\(u\) strictement positive si \(n\lt0\)
\(u'/u\)\(\ln|u|\)\(u\) ne s'annule pas
\(u'e^u\)\(e^u\)aucune

Complément, avec \(\omega\) et \(\varphi\) réels, \(\omega\neq0\) :

Fonction \(f\)Une primitive \(F\)
\(\cos(\omega t+\varphi)\)\(\dfrac1\omega\sin(\omega t+\varphi)\)
\(\sin(\omega t+\varphi)\)\(-\dfrac1\omega\cos(\omega t+\varphi)\)
Méthode — repérer la forme u' × g(u)

La question à se poser : « existe-t-il une fonction \(u\), visible dans l'expression, dont je reconnais aussi la dérivée \(u'\) en facteur ? ». Attention au facteur constant : si seul \(k\cdot u'\) apparaît (\(k\neq1\)), on divise la primitive trouvée par \(k\). Exemple : pour \(f(t)=e^{\omega t}\), on pose \(u(t)=\omega t\), \(u'(t)=\omega\). On écrit \(f(t)=\tfrac1\omega\cdot\omega\cdot e^{\omega t}\), soit \(1/\omega\) fois la forme \(u'e^u\) : une primitive est \(F(t)=\tfrac1\omega e^{\omega t}\).

3Forme u'eu · Consolidation

1. \(f(t)=2t\,e^{t^2}\) (poser \(u(t)=t^2\))   2. \(f(t)=e^{3t}\) (même principe, avec \(\omega=3\)).

Voir la correction

1. Avec \(u(t)=t^2\), \(u'(t)=2t\) : on reconnaît exactement la forme \(u'e^u\). Donc \(F(t)=e^{t^2}\).

2. Avec \(u(t)=3t\), \(u'(t)=3\) : \(f(t)=\tfrac13\times3\times e^{3t}\), soit \(1/3\) fois la forme \(u'e^u\). \(F(t)=\dfrac13e^{3t}\).

4Forme u'/u · Approfondissement

1. \(f(t)=\dfrac{3t^2}{t^3+1}\)   2. En déduire une primitive de \(g(t)=\dfrac{2t}{(t^2+1)^2}\) (indication : c'est la forme \(u'u^n\) avec \(n=-2\) qu'il faut reconnaître, pas \(u'/u\)).

Voir la correction

1. Avec \(u(t)=t^3+1\), \(u'(t)=3t^2\) : on reconnaît exactement la forme \(u'/u\). Donc \(F(t)=\ln|t^3+1|\).

2. Ici \(u(t)=t^2+1\), \(u'(t)=2t\), et \(g(t)=u'\cdot u^{-2}\) (avec \(n=-2\)). Une primitive de \(u'u^n\) est \(\dfrac{u^{n+1}}{n+1}=\dfrac{u^{-1}}{-1}=-\dfrac1u\). Donc \(G(t)=-\dfrac{1}{t^2+1}\).

Piège classique : une fraction avec un carré au dénominateur n'est presque jamais de la forme \(u'/u\) — vérifier d'abord si l'exposant du dénominateur vaut exactement 1.

Vigilance — bien identifier n avant de choisir la formule

\(2t/(t^2+1)^2\) s'écrit aussi \(2t\cdot(t^2+1)^{-2}\), c'est-à-dire \(u'u^n\) avec \(u(t)=t^2+1\) et \(n=-2\) (exposant négatif, \(\neq-1\), donc la formule \(u'/u\) ne s'applique pas ici). Toujours vérifier si l'exposant du dénominateur vaut exactement 1 (→ \(u'/u\), primitive en \(\ln\)) ou une autre valeur (→ \(u'u^n\)).

5Primitive d'un courant sinusoïdal — charge électrique Application CIRA· Défi CIRA

Un courant électrique s'écrit, pour \(t\geqslant0\) : \(i(t)=I_0\cos(\omega t+\varphi)\), avec \(I_0=0{,}5\) A, \(\omega=100\pi\) rad/s et \(\varphi=0\). La charge \(q(t)\) qui traverse une section du circuit est une primitive du courant : \(q'(t)=i(t)\).

1. Déterminer la forme générale des primitives de \(i\).
2. On impose \(q(0)=0\). En déduire l'expression complète de \(q(t)\).
3. Calculer \(q(0{,}005)\) — un quart de période — arrondi à \(10^{-4}\) près, et interpréter le signe.

Voir la correction

1. D'après le tableau de compléments, une primitive de \(\cos(\omega t+\varphi)\) est \(\tfrac1\omega\sin(\omega t+\varphi)\). Avec \(\varphi=0\) : les primitives de \(i\) sont les fonctions \(q(t)=\dfrac{I_0}{\omega}\sin(\omega t)+k\), \(k\) réel.

2. \(q(0)=\dfrac{I_0}{\omega}\sin(0)+k=0+k\). La condition \(q(0)=0\) donne \(k=0\). Donc \(q(t)=\dfrac{I_0}{\omega}\sin(\omega t)\).

3. \(\dfrac{I_0}{\omega}=\dfrac{0{,}5}{100\pi}\approx0{,}0015915\). Et \(\omega\times0{,}005=100\pi\times0{,}005=0{,}5\pi\), soit un quart de période, où \(\sin(0{,}5\pi)=1\). Donc \(q(0{,}005)\approx0{,}0016\) C. Le résultat est positif : le courant, orienté dans le sens conventionnel positif depuis \(t=0\), a fait circuler une charge positive à travers la section — cohérent avec un courant \(i(t)\) resté positif sur tout ce quart de période.

3. Intégrale d'une fonction

À retenir

Soit \(f\) dérivable sur \(I\), \(F\) une primitive de \(f\), \(a,b\) deux réels de \(I\). On appelle intégrale de \(a\) à \(b\) de \(f\) le nombre \(\displaystyle\int_a^bf(t)\,dt=F(b)-F(a)\), noté aussi \(\big[F(t)\big]_a^b\). La variable \(t\) est dite muette : \(\displaystyle\int_a^bf(t)\,dt=\int_a^bf(x)\,dx\).

6Calculs d'intégrales directs · Socle

1. \(\displaystyle\int_0^3 4\,dt\)   2. \(\displaystyle\int_1^2(x^2+1)\,dx\)   3. \(\displaystyle\int_1^e\dfrac1t\,dt\).

Voir la correction

1. \(\displaystyle\int_0^34\,dt=\big[4t\big]_0^3=12-0=\)12.

2. \(\displaystyle\int_1^2(x^2+1)\,dx=\Big[\dfrac{x^3}{3}+x\Big]_1^2=\Big(\dfrac83+2\Big)-\Big(\dfrac13+1\Big)=\dfrac{14}{3}-\dfrac43=\)\(\dfrac{10}{3}\).

3. \(\displaystyle\int_1^e\dfrac1t\,dt=\big[\ln(t)\big]_1^e=\ln(e)-\ln(1)=1-0=\)1.

Propriété

Relation de Chasles : \(\displaystyle\int_a^cf(t)\,dt=\int_a^bf(t)\,dt+\int_b^cf(t)\,dt\). Linéarité : \(\displaystyle\int_a^b(\alpha f)\,dt=\alpha\int_a^bf(t)\,dt\). Positivité : si \(f\geqslant0\) sur \([a\,;b]\), alors \(\displaystyle\int_a^bf(t)\,dt\geqslant0\) ; plus généralement, \(f\leqslant g\) sur \([a\,;b]\) donne \(\displaystyle\int_a^bf\,dt\leqslant\int_a^bg\,dt\).

7Utiliser Chasles et la linéarité · Consolidation

On donne \(\displaystyle\int_0^2f(t)\,dt=5\) et \(\displaystyle\int_2^5f(t)\,dt=-3\).

1. En déduire \(\displaystyle\int_0^5f(t)\,dt\).
2. Sachant que \(\displaystyle\int_0^2g(t)\,dt=4\), calculer \(\displaystyle\int_0^2(3f-2g)\,dt\).

Voir la correction

1. Par la relation de Chasles : \(\displaystyle\int_0^5f(t)\,dt=\int_0^2f(t)\,dt+\int_2^5f(t)\,dt=5+(-3)=\)2.

2. Par linéarité : \(\displaystyle\int_0^2(3f-2g)\,dt=3\int_0^2f\,dt-2\int_0^2g\,dt=3\times5-2\times4=15-8=\)7.

4. Interprétation graphique : calcul d'aires

Théorème — aire sous une courbe, fonction positive

Soit \(f\) dérivable et positive sur \([a\,;b]\). L'aire \(A\) du domaine délimité par la courbe \(y=f(x)\), l'axe des abscisses et les droites \(x=a\), \(x=b\) est \(\displaystyle A=\int_a^bf(t)\,dt\), exprimée en unités d'aire (u.a.).

Aire hachurée sous une courbe positive entre a et b
8Vérifier le théorème sur des cas géométriques simples · Socle

1. Soit \(f\) constante sur \([0\,;2]\), \(f(x)=2\). Calculer l'aire du rectangle par la géométrie, puis vérifier avec \(\displaystyle\int_0^2f(t)\,dt\).
2. Soit \(g\) affine sur \([0\,;5]\), \(g(x)=2x+1\). Calculer l'aire du trapèze par la géométrie, puis vérifier avec \(\displaystyle\int_0^5g(x)\,dx\).

Voir la correction

1. Géométrie : rectangle de largeur 2 et de hauteur 2, aire \(=2\times2=4\). Calcul intégral : \(\displaystyle\int_0^22\,dt=\big[2t\big]_0^2=4-0=4\). Les deux méthodes donnent bien 4 u.a.

2. Géométrie : trapèze de petite base \(g(0)=1\), grande base \(g(5)=11\), hauteur 5 : aire \(=\dfrac{(1+11)\times5}{2}=30\). Calcul intégral : \(\displaystyle\int_0^5(2x+1)\,dx=\big[x^2+x\big]_0^5=(25+5)-0=30\). Les deux méthodes donnent bien 30 u.a.

9Aire sous une courbe · Consolidation

Déterminer l'aire comprise entre la courbe de \(f(x)=e^x\), l'axe des abscisses et les droites \(x=0\) et \(x=2\).

Voir la correction

\(f\) est positive sur \([0\,;2]\), donc \(\displaystyle A=\int_0^2e^x\,dx=\big[e^x\big]_0^2=e^2-e^0=e^2-1\). \(A=e^2-1\approx6{,}39\) u.a.

Théorème — aire sous une courbe, fonction négative

Soit \(f\) dérivable et négative sur \([a\,;b]\). L'aire \(A\) du domaine délimité par la courbe, l'axe des abscisses et les droites \(x=a\), \(x=b\) est cette fois \(\displaystyle A=-\int_a^bf(t)\,dt\) (l'intégrale d'une fonction négative est négative ; on prend son opposé pour obtenir une aire, toujours positive).

10Aire sous une courbe, fonction négative · Approfondissement

Soit \(f\) définie sur \([0\,;3]\) par \(f(x)=-x^2\). Vérifier que \(f\) est négative, puis déterminer l'aire \(A\) délimitée par la courbe de \(f\), l'axe des abscisses et les droites \(x=0\), \(x=3\).

Voir la correction

Pour tout \(x\), \(x^2\geqslant0\) donc \(f(x)=-x^2\leqslant0\) : \(f\) est bien négative sur \([0\,;3]\). On calcule \(\displaystyle\int_0^3(-x^2)\,dx=\Big[-\dfrac{x^3}{3}\Big]_0^3=-9-0=-9\). D'après le théorème, \(A=-(-9)=\)9 u.a.

Méthode — aire entre deux courbes

Lorsque \(f(x)\leqslant g(x)\) pour tout \(x\) de \([a\,;b]\), l'aire entre les deux courbes (\(g\) au-dessus, \(f\) en dessous) vaut \(\displaystyle A=\int_a^b\big(g(t)-f(t)\big)\,dt\) (cette formule redonne le théorème précédent quand \(f\) est la fonction nulle).

11Aire entre deux courbes · Défi CIRA

Sur \([0\,;2]\), on considère \(f(x)=x^2\) et \(g(x)=2x\). Vérifier que \(f(x)\leqslant g(x)\) sur \([0\,;2]\), puis calculer l'aire entre les deux courbes sur cet intervalle.

Voir la correction

\(g(x)-f(x)=2x-x^2=x(2-x)\). Sur \([0\,;2]\), \(x\geqslant0\) et \(2-x\geqslant0\), donc \(g(x)-f(x)\geqslant0\) : bien \(f(x)\leqslant g(x)\) sur tout l'intervalle. On calcule \(\displaystyle A=\int_0^2(2x-x^2)\,dx=\Big[x^2-\dfrac{x^3}{3}\Big]_0^2=\Big(4-\dfrac83\Big)-0=\dfrac{4}{3}\). \(A=\dfrac43\) u.a.

Où ça sert en CIRA — mesurer une intégrale sans formule exacte

Un capteur numérique ne connaît une grandeur physique qu'à des instants échantillonnés — il ne « voit » jamais l'expression algébrique de la fonction. Un compteur d'énergie approche \(\displaystyle\int_a^bp(t)\,dt\) par une somme de petits rectangles ou de trapèzes construits sur les mesures successives (méthodes des rectangles, du point-milieu, des trapèzes) : même principe géométrique que l'aire sous la courbe, mais calculé numériquement plutôt qu'avec une primitive.

5. Valeur moyenne et valeur efficace d'un signal

À retenir — valeur moyenne

Soit \(f\) dérivable sur \([a\,;b]\), \(a\lt b\). La valeur moyenne de \(f\) sur \([a\,;b]\) est \(\displaystyle f_{moy}=\dfrac{1}{b-a}\int_a^bf(t)\,dt\). Interprétation : l'aire sous la courbe de \(f\) égale l'aire du rectangle de largeur \((b-a)\) et de hauteur \(f_{moy}\).

12Valeur moyenne d'une fonction · Socle

Déterminer la valeur moyenne de \(f(x)=x^2\) sur \([0\,;1]\).

Voir la correction

\(\displaystyle\int_0^1x^2\,dx=\Big[\dfrac{x^3}{3}\Big]_0^1=\dfrac13\). Donc \(\displaystyle f_{moy}=\dfrac{1}{1-0}\times\dfrac13=\)\(\dfrac13\).

13Valeur moyenne d'un signal redressé Application CIRA· Consolidation

Un redresseur simple alternance transforme une tension sinusoïdale en une tension \(u(t)\) nulle une alternance sur deux. Sur une demi-période \((0\,;T/2)\), \(u(t)=U_{max}\sin(\omega t)\), avec \(\omega=2\pi/T\).

1. Calculer \(\displaystyle\int_0^{T/2}u(t)\,dt\) en fonction de \(U_{max}\) et \(T\).
2. En déduire que \(U_{moy}=\dfrac2\pi U_{max}\).
3. Pour \(U_{max}=20\) V, calculer \(U_{moy}\).

Voir la correction

1. Une primitive de \(\sin(\omega t)\) est \(-\tfrac1\omega\cos(\omega t)\). Donc \(\displaystyle\int_0^{T/2}u(t)\,dt=U_{max}\Big[-\dfrac1\omega\cos(\omega t)\Big]_0^{T/2}\). Or \(\omega\times T/2=\pi\), donc \(\cos(\pi)=-1\) et \(\cos(0)=1\). On obtient \(U_{max}\times\Big(-\dfrac1\omega\Big)\big[(-1)-1\big]=U_{max}\times\dfrac2\omega\). Avec \(\omega=2\pi/T\), \(\dfrac2\omega=\dfrac{T}{\pi}\). \(\displaystyle\int_0^{T/2}u(t)\,dt=\dfrac{T}{\pi}U_{max}\).

2. \(\displaystyle U_{moy}=\dfrac{1}{T/2-0}\times\dfrac{T}{\pi}U_{max}=\dfrac{2}{T}\times\dfrac{T}{\pi}U_{max}=\)\(\dfrac2\pi U_{max}\), comme annoncé.

3. \(U_{moy}=\dfrac2\pi\times20\approx\)12,7 V. C'est ce que mesurerait un voltmètre en position DC branché sur la sortie d'un redresseur simple alternance.

À retenir — valeur efficace

La valeur efficace de \(f\) sur \([a\,;b]\) est \(\displaystyle f_{eff}=\sqrt{\dfrac{1}{b-a}\int_a^bf(t)^2\,dt}\) (RMS, root mean square). Contrairement à la valeur moyenne, la valeur efficace d'un signal alternatif pur n'est jamais nulle : c'est elle qui détermine l'échauffement produit par un courant dans une résistance, quelle que soit la forme du signal.

Méthode — intégrer un carré de sinusoïde

Pour intégrer \(\cos^2(\omega t)\) ou \(\sin^2(\omega t)\), on linéarise d'abord avec \(\cos^2(\omega t)=\dfrac{1+\cos(2\omega t)}{2}\) : une somme d'une constante et d'un cosinus, dont les primitives se lisent directement dans les tableaux précédents.

14Valeur efficace d'un courant sinusoïdal Application CIRA· Défi CIRA

On considère \(i(t)=I_{max}\cos(\omega t)\), de période \(T=2\pi/\omega\).

1. Écrire \(i(t)^2\) sous forme linéarisée.
2. Calculer \(\displaystyle\int_0^Ti(t)^2\,dt\) (l'intégrale du terme en \(\cos(2\omega t)\) sur une période entière est nulle).
3. En déduire \(I_{eff}=I_{max}/\sqrt2\).

Voir la correction

1. \(i(t)^2=I_{max}^2\cos^2(\omega t)=I_{max}^2\times\dfrac{1+\cos(2\omega t)}{2}=\)\(\dfrac{I_{max}^2}{2}+\dfrac{I_{max}^2}{2}\cos(2\omega t)\).

2. La partie constante \(\dfrac{I_{max}^2}{2}\) intégrée sur \([0\,;T]\) donne \(\dfrac{I_{max}^2}{2}\times T\). La partie en \(\cos(2\omega t)\) s'intègre à 0 sur une période entière (autant d'aire positive que négative, la courbe fait deux tours complets). Donc \(\displaystyle\int_0^Ti(t)^2\,dt=\dfrac{I_{max}^2}{2}T\).

3. \(\displaystyle I_{eff}=\sqrt{\dfrac1T\times\dfrac{I_{max}^2}{2}T}=\sqrt{\dfrac{I_{max}^2}{2}}=\dfrac{I_{max}}{\sqrt2}\). \(I_{eff}=I_{max}/\sqrt2\), comme annoncé. C'est ce résultat qui relie la valeur affichée par un multimètre en mode AC à l'amplitude réelle du signal.

Signal périodique : un seul motif suffit

Quand \(f\) est périodique de période \(T\), sa valeur moyenne et sa valeur efficace se calculent en intégrant sur une seule période — \((0\,;T)\) ou tout autre intervalle de largeur \(T\), le résultat est le même par répétition du motif.

6. Intégration par parties

Théorème

Soit \(u,v\) dérivables sur \([a\,;b]\), \(u',v'\) elles-mêmes dérivables sur \([a\,;b]\). Alors \(\displaystyle\int_a^bu(t)v'(t)\,dt=\big[u(t)v(t)\big]_a^b-\int_a^bu'(t)v(t)\,dt\).

Démonstration. \((uv)'=u'v+uv'\), donc \(uv'=(uv)'-u'v\) : deux fonctions égales ont des intégrales égales, d'où le résultat en intégrant chaque membre.

Exemple guidé. Calculer \(\displaystyle I=\int_0^1te^t\,dt\). On pose \(u'(t)=e^t\), \(u(t)=e^t\), \(v(t)=t\), \(v'(t)=1\). D'où \(\displaystyle I=\big[te^t\big]_0^1-\int_0^11\times e^t\,dt=e-\big[e^t\big]_0^1=e-(e-1)=1\).

15Appliquer la formule d'intégration par parties · Consolidation

Calculer \(\displaystyle I=\int_0^1te^t\,dt\) en posant \(u'(t)=e^t\) et \(v(t)=t\) (comme dans l'exemple ci-dessus).

Voir la correction

Avec \(u(t)=e^t\), \(v(t)=t\), \(v'(t)=1\) : \(\displaystyle I=\big[te^t\big]_0^1-\int_0^1e^t\,dt=(1\times e-0)-\big[e^t\big]_0^1=e-(e-1)=\)1 (calcul entièrement détaillé dans l'exemple guidé du cours ci-dessus).

16Une primitive de ln par intégration par parties · Approfondissement

Déterminer la primitive de \(\ln(t)\) qui s'annule en 1, soit \(\displaystyle F(x)=\int_1^x\ln(t)\,dt\), en posant \(u'(t)=1\) et \(v(t)=\ln(t)\).

Voir la correction

Avec \(u'(t)=1\), \(u(t)=t\), \(v(t)=\ln(t)\), \(v'(t)=1/t\) : \(\displaystyle F(x)=\big[t\ln(t)\big]_1^x-\int_1^xt\times\dfrac1t\,dt=x\ln(x)-1\times\ln(1)-\int_1^x1\,dt=x\ln(x)-\big[t\big]_1^x\). Comme \(\ln(1)=0\) : \(F(x)=x\ln(x)-(x-1)\). \(F(x)=x\ln(x)-x+1\).

17Énergie associée à une puissance transitoire Application CIRA· Défi CIRA

Lors du démarrage d'un moteur, la puissance instantanée absorbée s'écrit, pour \(t\geqslant0\) : \(p(t)=P_0\cdot t\cdot e^{-t/\tau}\), avec \(P_0=400\) W et \(\tau=0{,}5\) s. L'énergie consommée entre 0 et \(T\) est \(\displaystyle W=\int_0^Tp(t)\,dt\).

1. Calculer \(\displaystyle\int_0^Tt\cdot e^{-t/\tau}\,dt\) par intégration par parties (une primitive de \(e^{-t/\tau}\) est \(-\tau\cdot e^{-t/\tau}\)).
2. En déduire \(W(T)\).
3. Calculer \(W(2)\) en joules.

Voir la correction

1. On pose \(u'(t)=e^{-t/\tau}\), \(u(t)=-\tau e^{-t/\tau}\), \(v(t)=t\), \(v'(t)=1\). Donc \(\displaystyle\int_0^Tte^{-t/\tau}\,dt=\big[-\tau te^{-t/\tau}\big]_0^T-\int_0^T\big(-\tau e^{-t/\tau}\big)\,dt=-\tau Te^{-T/\tau}+\tau\int_0^Te^{-t/\tau}\,dt\). Or \(\displaystyle\int_0^Te^{-t/\tau}\,dt=\big[-\tau e^{-t/\tau}\big]_0^T=\tau\big(1-e^{-T/\tau}\big)\). D'où \(\displaystyle\int_0^Tte^{-t/\tau}\,dt=-\tau Te^{-T/\tau}+\tau^2\big(1-e^{-T/\tau}\big)\).

2. \(\displaystyle W(T)=P_0\int_0^Tte^{-t/\tau}\,dt=P_0\Big[\tau^2\big(1-e^{-T/\tau}\big)-\tau Te^{-T/\tau}\Big]\). \(W(T)=P_0\tau^2\big(1-e^{-T/\tau}\big)-P_0\tau Te^{-T/\tau}\).

3. Avec \(P_0=400\), \(\tau=0{,}5\), \(T=2\) : \(\tau^2=0{,}25\), \(T/\tau=4\), \(e^{-4}\approx0{,}0183\). \(W(2)=400\times0{,}25\times(1-0{,}0183)-400\times0{,}5\times2\times0{,}0183\approx98{,}17-7{,}33\approx\)90,84 J.

Application finale — Synthèse CIRA

18Charge et énergie lors de la décharge d'un condensateur Application CIRA

Un condensateur se décharge dans une résistance \(R\). Le courant qui circule s'écrit, pour \(t\geqslant0\) : \(i(t)=I_0e^{-t/\tau}\), avec \(I_0=2\) A, \(\tau=1{,}5\) s et \(R=10\) Ω.

1. Déterminer une primitive de \(i\), puis calculer \(\displaystyle q(T)=\int_0^Ti(t)\,dt\). Calculer \(q(4)\) en coulombs.
2. L'énergie dissipée par effet Joule entre 0 et \(T\) est \(\displaystyle W(T)=R\int_0^Ti(t)^2\,dt\). Calculer \(W(T)\) en fonction de \(T\).
3. Calculer \(W(4)\) en joules. Comparer à \(W(T)\) quand \(T\to+\infty\).
4. Calculer la valeur efficace du courant \(I_{eff}\) sur \([0\,;4]\).

Décharge exponentielle d'un condensateur, aire hachurée représentant la charge écoulée
Voir la correction

1. Une primitive de \(i(t)=I_0e^{-t/\tau}\) est \(-I_0\tau\,e^{-t/\tau}\) (forme \(u'e^u\) avec \(u(t)=-t/\tau\), \(u'(t)=-1/\tau\)). Donc \(\displaystyle q(T)=\big[-I_0\tau e^{-t/\tau}\big]_0^T=I_0\tau\big(1-e^{-T/\tau}\big)\). Avec \(I_0=2\), \(\tau=1{,}5\) : \(I_0\tau=3\), et \(T/\tau=4/1{,}5\approx2{,}667\), donc \(e^{-2{,}667}\approx0{,}0698\). \(q(4)=3\times(1-0{,}0698)\approx3\times0{,}9302\approx\)2,79 C.

2. \(i(t)^2=I_0^2e^{-2t/\tau}\), une fonction de la forme \(u'u^n\)... plus directement, une primitive de \(e^{-2t/\tau}\) est \(-\tfrac{\tau}{2}e^{-2t/\tau}\). Donc \(\displaystyle\int_0^Ti(t)^2\,dt=I_0^2\Big[-\dfrac{\tau}{2}e^{-2t/\tau}\Big]_0^T=\dfrac{I_0^2\tau}{2}\big(1-e^{-2T/\tau}\big)\), et \(\displaystyle W(T)=\dfrac{RI_0^2\tau}{2}\big(1-e^{-2T/\tau}\big)\).

3. \(\dfrac{RI_0^2\tau}{2}=\dfrac{10\times4\times1{,}5}{2}=30\). Avec \(T=4\) : \(2T/\tau=8/1{,}5\approx5{,}333\), \(e^{-5{,}333}\approx0{,}00483\). \(W(4)=30\times(1-0{,}00483)\approx\)29,86 J. Quand \(T\to+\infty\), \(e^{-2T/\tau}\to0\), donc \(W(T)\to30\) J : c'est l'énergie totale que peut encore dissiper le condensateur en se déchargeant complètement — \(W(4)\) en représente déjà plus de 99 %, le régime transitoire est presque achevé après \(4\,\)s (soit un peu moins de 3 constantes de temps).

4. \(\displaystyle I_{eff}=\sqrt{\dfrac14\int_0^4i(t)^2\,dt}=\sqrt{\dfrac14\times\dfrac{W(4)}{R}}=\sqrt{\dfrac{29{,}86}{4\times10}}\approx\sqrt{0{,}7464}\approx\)0,86 A. Contrairement au signal périodique établi de la section 5, ce régime transitoire s'éteint : cette valeur efficace décrit seulement l'effet thermique moyen du courant sur la durée finie \([0\,;4]\) choisie, pas un régime permanent — la notion garde un sens pratique (dimensionner un fusible, par exemple), mais pas l'interprétation « signal alternatif établi » de la section 5.