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Intégrales trigonométriques

Intégrale de sec³ x (1/cos³ x) : formule, démonstration et exemples

L'intégrale de sec³ x vaut ½(sec x tan x + ln|sec x + tan x|) + C. La boucle d'intégration par parties pas à pas, la vérification et la longueur d'arc.

Intégrales trigonométriques Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

\int \sec^3 x\,dx = \frac{1}{2}\left(\sec x\tan x + \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert\right) + C
Primitive
\dfrac{1}{2}\sec x\tan x + \dfrac{1}{2}\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C
Méthode
Intégration par parties avec u = \sec x, dv = \sec^2 x\,dx
Identité clé
\tan^2 x = \sec^2 x - 1
De 0 à π/4
\dfrac{\sqrt{2} + \ln(1 + \sqrt{2})}{2} \approx 1.148
Formule de récurrence
\int\sec^n x\,dx = \dfrac{\sec^{n-2}x\tan x}{n - 1} + \dfrac{n - 2}{n - 1}\int\sec^{n-2}x\,dx
Sur cette page
  1. Graphique de sec³ x et de l'aire sous la courbe
  2. Démonstration par parties, pas à pas
  3. Vérification par dérivation
  4. Intégrale définie
  5. Application : intégrale de √(1 + x²) et longueur d'arc
  6. La formule de récurrence
  7. Erreurs fréquentes

L'intégrale de \sec^3 x est \dfrac{1}{2}\left(\sec x\tan x + \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert\right) + C, où sec x désigne 1/cos x. C'est l'exemple classique d'intégration par parties où l'intégrale revient en boucle et où l'on résout une équation pour la trouver.

\int \sec^3 x\,dx = \frac{1}{2}\sec x\tan x + \frac{1}{2}\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C

Graphique de sec³ x et de l'aire sous la courbe

Aire sous y = sec³ x de 0 à π/4
L'aire hachurée vaut \frac{\sqrt{2} + \ln(1 + \sqrt{2})}{2} \approx 1.148. La fonction croît très vite vers l'asymptote en x = \frac{\pi}{2}.

Démonstration par parties, pas à pas

Notons l'intégrale I = \int\sec^3 x\,dx.

  1. Écrire \sec^3 x = \sec x\cdot\sec^2 x et appliquer l'intégration par parties avec u = \sec x,\quad dv = \sec^2 x\,dx,\qquad du = \sec x\tan x\,dx,\quad v = \tan x
  2. Appliquer \int u\,dv = uv - \int v\,du : I = \sec x\tan x - \int\sec x\tan^2 x\,dx
  3. Remplacer \tan^2 x par \sec^2 x - 1 : I = \sec x\tan x - \int\sec^3 x\,dx + \int\sec x\,dx = \sec x\tan x - I + \int\sec x\,dx
  4. L'intégrale de départ I est apparue à droite. On ajoute I aux deux membres : 2I = \sec x\tan x + \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert
  5. Diviser par 2 et ajouter C.

L'étape 4 utilise l'intégrale de sec x. Le choix dv = \sec^2 x\,dx fonctionne parce que \sec^2 x est le seul morceau facile à intégrer, en \tan x. Le guide de l'intégration par parties donne d'autres exemples de cette boucle.

Vérification par dérivation

D'abord, avec la règle du produit :

\frac{d}{dx}(\sec x\tan x) = \sec x\tan x\cdot\tan x + \sec x\cdot\sec^2 x = \sec x\tan^2 x + \sec^3 x

En remplaçant \tan^2 x par \sec^2 x - 1, on obtient 2\sec^3 x - \sec x. Le terme logarithmique se dérive en \sec x. Donc

\frac{d}{dx}\left[\frac{1}{2}\sec x\tan x + \frac{1}{2}\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert\right] = \frac{1}{2}\left(2\sec^3 x - \sec x + \sec x\right) = \sec^3 x \checkmark

Intégrale définie

En x = \frac{\pi}{4} : \sec = \sqrt{2}, \tan = 1. En x = 0 : \sec = 1, \tan = 0, et \ln 1 = 0. Donc

\int_0^{\pi/4}\sec^3 x\,dx = \frac{1}{2}\left(\sqrt{2} + \ln(\sqrt{2} + 1)\right) \approx 1.148

Application : intégrale de √(1 + x²) et longueur d'arc

Posons x = \tan\theta, dx = \sec^2\theta\,d\theta. Alors \sqrt{1 + x^2} = \sec\theta et

\int\sqrt{1 + x^2}\,dx = \int\sec^3\theta\,d\theta = \frac{1}{2}x\sqrt{1 + x^2} + \frac{1}{2}\ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right) + C

La longueur de l'arc de parabole y = \frac{x^2}{2} de x = 0 à x = 1 vaut \int_0^1\sqrt{1 + x^2}\,dx, c'est-à-dire exactement l'aire hachurée ci-dessus : environ 1.148. Pour en savoir plus, voir la leçon sur la longueur d'arc et l'aire de surface.

La formule de récurrence

Les mêmes étapes avec \sec^n x donnent

\int\sec^n x\,dx = \frac{\sec^{n-2}x\tan x}{n - 1} + \frac{n - 2}{n - 1}\int\sec^{n-2}x\,dx

Avec n = 3, c'est notre résultat. Avec n = 5, elle ramène \sec^5 x à \sec^3 x, que vous savez maintenant intégrer.

Erreurs fréquentes

  1. Utiliser la règle de la puissance : \frac{\sec^4 x}{4}. Sa dérivée vaut \sec^4 x\tan x, pas \sec^3 x.
  2. Choisir u = \sec^2 x, dv = \sec x\,dx. Alors v = \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert, et la nouvelle intégrale est bien plus difficile.
  3. Oublier de diviser par 2 après avoir regroupé les termes en I.
  4. Perdre le terme logarithmique. Le \int\sec x\,dx de l'étape 3 s'oublie facilement.

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Questions fréquentes

Quelle est l'intégrale de sec³ x ?

C'est \frac{1}{2}\sec x\tan x + \frac{1}{2}\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C.

Pourquoi ne peut-on pas utiliser la règle de la puissance sur sec³ x ?

La règle de la puissance pour \int u^3\,du exige que du = \sec x\tan x\,dx figure dans l'intégrale. Ce n'est pas le cas, il faut donc intégrer par parties.

Quelle est l'intégrale de √(1 + x²) ?

Avec x = \tan\theta, elle devient \int\sec^3\theta\,d\theta. Le résultat est \frac{1}{2}x\sqrt{1 + x^2} + \frac{1}{2}\ln\left(x + \sqrt{1 + x^2}\right) + C.

Combien vaut l'intégrale de sec³ x entre 0 et π/4 ?

Elle vaut \frac{1}{2}\left(\sqrt{2} + \ln(1 + \sqrt{2})\right) \approx 1.148.

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