Chapitre 04

Fonctions primitives

Définition, existence et unicité, propriété de linéarité et tableau complet des primitives.

Sommaire
  1. I Définition d'une primitive
  2. II Existence et unicité des primitives
  3. III Propriété de linéarité
  4. IV Tableau des primitives

Définition d'une primitive

Définition

Soit \( f \) une fonction définie sur un intervalle \( I \).

On dit que \( F \) est une fonction primitive de \( f \) sur \( I \) si :

  • \( F \) est dérivable sur \( I \)
  • \( \forall x \in I, \quad F'(x) = f(x) \)
Exemples
  • \( F(x) = x^3 \) est une primitive de \( f(x) = 3x^2 \) sur \( \mathbb{R} \), car \( F'(x) = 3x^2 = f(x) \).
  • \( F(x) = \sin x \) est une primitive de \( f(x) = \cos x \) sur \( \mathbb{R} \), car \( F'(x) = \cos x = f(x) \).
  • \( F(x) = e^x \) est une primitive de \( f(x) = e^x \) sur \( \mathbb{R} \), car \( F'(x) = e^x = f(x) \).

Existence & unicité des primitives

Théorème d'existence

Toute fonction continue sur un intervalle \( I \) admet des primitives sur \( I \).

Famille de primitives

Si \( f \) admet une primitive \( F \) sur un intervalle \( I \), alors toute fonction \( G \) définie sur \( I \) par :

\( G(x) = F(x) + k \quad (k \in \mathbb{R}) \)

est aussi une primitive de \( f \) sur \( I \).

Remarque

Deux primitives d'une même fonction diffèrent d'une constante. Si \( F \) et \( G \) sont deux primitives de \( f \) sur \( I \), alors il existe \( k \in \mathbb{R} \) tel que \( G(x) = F(x) + k \).

Primitive avec condition initiale

Soit \( f \) une fonction admettant des primitives sur un intervalle \( I \). Soit \( x_0 \in I \) et \( y_0 \in \mathbb{R} \).

Il existe une seule primitive \( F \) de \( f \) sur \( I \) vérifiant la condition :

\( F(x_0) = y_0 \)

Exemple

Trouver la primitive \( F \) de \( f(x) = 2x \) telle que \( F(1) = 3 \).

Les primitives de \( 2x \) sont \( F(x) = x^2 + k \). La condition \( F(1) = 3 \) donne \( 1 + k = 3 \), donc \( k = 2 \).

Résultat : \( F(x) = x^2 + 2 \).

Propriété de linéarité

Propriété

Si \( F \) et \( G \) sont des primitives respectives de \( f \) et \( g \) sur un intervalle \( I \), et si \( k \) est un réel, alors :

  • \( (F + G) \) est une primitive de \( (f + g) \) sur \( I \).
  • \( (k \cdot F) \) est une primitive de \( (k \cdot f) \) sur \( I \).
En pratique

La linéarité permet de calculer la primitive d'une somme terme à terme. Par exemple :

Une primitive de \( f(x) = 3x^2 + 2\cos x - \dfrac{1}{x} \) est \( F(x) = x^3 + 2\sin x - \ln|x| + C \).

Tableau des primitives

1. Fonctions de base

Fonction \( f(x) \)Primitive \( F(x) + C \)
\( a \) (constante)\( ax \)
\( x \)\( \dfrac{x^2}{2} \)
\( x^n \quad (n \neq -1) \)\( \dfrac{x^{n+1}}{n+1} \)
\( \dfrac{1}{x} \)\( \ln|x| \)
\( \dfrac{1}{x^2} \)\( \dfrac{-1}{x} \)
\( \dfrac{1}{\sqrt{x}} \)\( 2\sqrt{x} \)
\( e^x \)\( e^x \)
\( \sin x \)\( -\cos x \)
\( \cos x \)\( \sin x \)

2. Formes composées \( \small{(U' = dU/dx)} \)

Astuce

Pour les formes composées, il faut repérer la forme \( U' \cdot f(U) \) pour appliquer la formule correspondante.

Forme composéePrimitive
\( U' \cdot U \)\( \dfrac{U^2}{2} \)
\( U' \cdot U^n \quad (n \neq -1) \)\( \dfrac{U^{n+1}}{n+1} \)
\( \dfrac{U'}{U^2} \)\( \dfrac{-1}{U} \)
\( \dfrac{U'}{\sqrt{U}} \)\( 2\sqrt{U} \)
\( \dfrac{U'}{U} \)\( \ln|U| \)
\( U' \cdot e^U \)\( e^U \)
\( U' \cdot \sin(U) \)\( -\cos(U) \)
\( U' \cdot \cos(U) \)\( \sin(U) \)
Exemples d'application
  • Primitive de \( f(x) = 2x \cdot e^{x^2} \) : on a \( U = x^2 \), \( U' = 2x \), forme \( U' \cdot e^U \). Primitive : \( F(x) = e^{x^2} + C \).
  • Primitive de \( f(x) = \dfrac{2x+1}{x^2+x+3} \) : on a \( U = x^2+x+3 \), \( U' = 2x+1 \), forme \( \dfrac{U'}{U} \). Primitive : \( F(x) = \ln|x^2+x+3| + C \).
  • Primitive de \( f(x) = \cos(3x) \) : on a \( U = 3x \), \( U' = 3 \). On écrit \( \cos(3x) = \frac{1}{3} \cdot 3\cos(3x) \). Primitive : \( F(x) = \dfrac{1}{3}\sin(3x) + C \).