Intégrale de 2ˣ et de aˣ : formule, méthode et exemples
L'intégrale de 2ˣ vaut 2ˣ/ln 2 + C, et ∫aˣ dx = aˣ/ln a + C. La démonstration à partir de e^(x ln a), un graphique, des intégrales définies et des exemples.
Intégrales exponentielles et logarithmiques Mis à jour Lecture : 3 min
En bref
- Primitive
- \dfrac{2^x}{\ln 2} + C
- Base quelconque
- \int a^x\,dx = \dfrac{a^x}{\ln a} + C pour a > 0, a \ne 1
- Méthode
- Écrire a^x = e^{x\ln a}, puis diviser par \ln a
- De 0 à 1
- \frac{1}{\ln 2} \approx 1.443
- Valeur de ln 2
- \approx 0.6931
Sur cette page
L'intégrale de 2^x est \dfrac{2^x}{\ln 2} + C. Toute exponentielle a^x s'intègre de la même façon : on garde l'exponentielle et on divise par le logarithme népérien de la base.
La formule générale est valable pour toute base a > 0 avec a \ne 1.
Graphique de 2ˣ avec l'aire de 0 à 1
Comment intégrer 2ˣ pas à pas
L'astuce consiste à passer en base e, puisque l'on sait déjà intégrer les exponentielles de base e.
- Réécrire en base e. Comme 2 = e^{\ln 2}, on a 2^x = \left(e^{\ln 2}\right)^x = e^{x\ln 2}.
- Intégrer. \ln 2 est une simple constante, environ 0.693. Avec \int e^{kx}\,dx = \frac{1}{k}e^{kx} + C, vu sur la page intégrale de e²ˣ : \int e^{x\ln 2}\,dx = \frac{1}{\ln 2}e^{x\ln 2} + C
- Revenir en base 2. e^{x\ln 2} = 2^x, donc le résultat est \frac{2^x}{\ln 2} + C.
En remplaçant 2 par a partout, on obtient la formule générale. La base doit être positive pour que \ln a soit défini, et a \ne 1 pour que \ln a \ne 0. (Pour a = 1, 1^x = 1 et \int 1\,dx = x + C.)
Vérification par dérivation
La dérivée de 2ˣ est 2^x\ln 2. Donc
Intégrales définies
| Intégrale | Calcul | Valeur |
|---|---|---|
| \int_0^1 2^x\,dx | \frac{2 - 1}{\ln 2} | \approx 1.443 |
| \int_0^3 2^x\,dx | \frac{8 - 1}{\ln 2} | \approx 10.099 |
| \int_0^2 3^x\,dx | \frac{9 - 1}{\ln 3} | \approx 7.282 |
| \int_{-\infty}^{0} 2^x\,dx | \frac{1 - 0}{\ln 2} | \approx 1.443 |
Comparez la deuxième ligne avec une somme : 2^0 + 2^1 + 2^2 = 7. L'intégrale \frac{7}{\ln 2} est plus grande, car l'aire inclut la montée de la courbe entre les entiers. Ce contraste entre sommes et intégrales réapparaît dans le critère de comparaison série-intégrale.
Exemples corrigés
Exemple 1 : base 10. \displaystyle\int 10^x\,dx = \frac{10^x}{\ln 10} + C \approx 0.434\cdot 10^x + C.
Exemple 2 : un exposant affine. \displaystyle\int 2^{3x}\,dx. On pose u = 3x, du = 3\,dx :
On peut aussi écrire 2^{3x} = 8^x et obtenir \frac{8^x}{\ln 8}. Comme \ln 8 = 3\ln 2, les résultats coïncident.
Exemple 3 : une fraction comme base. \displaystyle\int\left(\frac{1}{2}\right)^x dx = \frac{(1/2)^x}{\ln(1/2)} + C = -\frac{2^{-x}}{\ln 2} + C.
Exemple 4 : regrouper les bases. \displaystyle\int 2^x 3^x\,dx = \int 6^x\,dx = \frac{6^x}{\ln 6} + C.
Exemple 5 : un changement de variable. \displaystyle\int x\,2^{x^2}\,dx. Avec u = x^2, du = 2x\,dx :
Erreurs fréquentes
- Utiliser la règle de la puissance. \int 2^x\,dx \ne \frac{2^{x+1}}{x+1}. Comparez avec \int x^2\,dx = \frac{x^3}{3}, où la variable est la base ; voir l'intégrale de x².
- Multiplier par \ln 2 au lieu de diviser. Multiplier, c'est ce que fait la dérivation. L'intégration divise.
- Utiliser \log_{10}. La formule demande le logarithme népérien. \int 10^x\,dx = \frac{10^x}{\ln 10}, et non \frac{10^x}{\log 10} = \frac{10^x}{1}.
- L'appliquer à x^x. Quand la variable est à la fois dans la base et dans l'exposant, aucune des deux règles ne s'applique, et \int x^x\,dx n'a pas de primitive élémentaire.
Voir la page fonctions exponentielles pour en savoir plus sur les bases, et l'intégrale de eˣ pour le cas particulier a = e.
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