Intégrale avec changement de signe
Énoncé
Calculer l'aire de la région délimitée par la courbe de f(x) = x^2 - 1, l'axe des abscisses et les droites x = -1 et x = 2.
Indice : Détermine où f change de signe, puis décompose l'intégrale en tenant compte des signes.
Correction
- Étape 1 : La fonction change de signe sur l'intervalle : le lien « intégrale = aire » du 33005 ne s'applique donc plus directement.
Pourquoi un signe moins :
Sur une zone où f 0, l'intégrale est NÉGATIVE — elle compte l'aire « en dessous » avec un signe moins.
Une aire, elle, est toujours positive. On prend donc l'OPPOSÉ de l'intégrale sur ces zones.
- Étape 2 : On découpe selon le signe. f(x) = x^2 - 1 s'annule en -1 et 1 :
sur [-1\,;\,1], f(x) 0 (la parabole est sous l'axe) · sur [1\,;\,2], f(x) 0
- Étape 3 : On écrit l'aire en changeant le signe sur la zone négative :
A = -_{-1}^{1} (x^2-1)\,dx \ +\ _{1}^{2} (x^2-1)\,dx
- Étape 4 : Une primitive commune aux deux morceaux :
F(x) = x^3{3} - x
- Étape 5 : Premier morceau :
_{-1}^{1}(x^2-1)dx = (1{3}-1) - (-1{3}+1) = -2{3} - 2{3} = -4{3}
- Étape 6 : L'intégrale est bien négative, comme annoncé. Son opposé donne l'aire de cette zone : 4{3}.
- Étape 7 : Second morceau, où la fonction est positive :
_{1}^{2}(x^2-1)dx = (8{3}-2) - (1{3}-1) = 2{3} + 2{3} = 4{3}
- Étape 8 : L'aire totale :
A = 4{3} + 4{3} = 8{3}
- Étape 9 : Ce que donnerait l'intégrale SANS découpage, pour bien voir la différence : _{-1}^{2}(x^2-1)dx = -4{3} + 4{3} = 0. Les deux zones se compensent exactement, et l'on conclurait à une aire nulle — ce qui est manifestement faux.
Le signe se lit sur la fonction, pas sur les bornes :
Ce n'est pas parce qu'on intègre « de -1 à 1 » que le résultat est négatif : c'est parce que la FONCTION y est négative.
Étudier le signe de f AVANT de découper est donc obligatoire — c'est lui qui dit où placer les signes moins.
La méthode en trois gestes, valable partout :
1. trouver les zéros de f · 2. dresser le signe sur chaque intervalle · 3. intégrer, en changeant le signe là où f est négative.
Les exercices 33014 et 33015 sont exactement le même travail.