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Règles d'intégration

Primitive de x^n : formule, exemples et cas n = −1

La primitive de x^n est x^(n+1)/(n+1) + C pour n ≠ −1. Formule, exemples avec racines et puissances négatives, et l'exception ln|x|.

Règles d'intégration Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C, \quad n \ne -1
S'applique à
Toute puissance de x d'exposant constant n \ne -1
En mots
Ajouter un à l'exposant, puis diviser par le nouvel exposant
Exception
\int x^{-1}\,dx = \ln\lvert x\rvert + C
Vérification
Dériver le résultat avec la règle de la puissance : on doit retrouver x^n
Règles liées
Règle de la puissance, linéarité de l'intégrale, changement de variable
Sur cette page
  1. La formule de la primitive d'une puissance
  2. Exemples
  3. L'exception n = −1
  4. Quand utiliser la primitive d'une puissance
  5. Erreurs fréquentes

La primitive d'une puissance donne une primitive de n'importe quelle puissance de x. C'est la règle de la puissance appliquée à l'envers : au lieu de diminuer l'exposant et de multiplier, on augmente l'exposant et on divise.

La formule de la primitive d'une puissance

Pour tout exposant constant n \ne -1 :

\int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C

Deux gestes : ajouter un à l'exposant, puis diviser par le nouvel exposant. Le +C est là parce que toute fonction admet une infinité de primitives qui diffèrent d'une constante.

On peut toujours vérifier le résultat en le dérivant :

\frac{d}{dx}\left(\frac{x^{n+1}}{n+1}\right) = \frac{(n+1)x^{n}}{n+1} = x^n
Courbe de y = x² et de ses primitives y = x³/3 + C
Chaque courbe en pointillés est \frac{x^3}{3} + C pour une valeur différente de C. Elles se déduisent les unes des autres par translation verticale et ont toutes pour pente x^2 en chaque x.

Exemples

Fonction à intégrer Réécriture Primitive
x^4 x^4 \frac{x^5}{5} + C
x x^1 \frac{x^2}{2} + C
5 5x^0 5x + C
\sqrt{x} x^{1/2} \frac{2}{3}x^{3/2} + C
\frac{1}{x^3} x^{-3} -\frac{1}{2x^2} + C
\frac{1}{\sqrt{x}} x^{-1/2} 2\sqrt{x} + C
\frac{1}{x} x^{-1} \ln\lvert x\rvert + C (exception)

Exemple : un polynôme. On combine la formule avec la linéarité et on intègre terme à terme :

\int \left(6x^2 - 4x + 3\right)dx = 2x^3 - 2x^2 + 3x + C

Exemple : une puissance négative. On réécrit \frac{4}{x^5} sous la forme 4x^{-5} :

\int 4x^{-5}\,dx = 4 \cdot \frac{x^{-4}}{-4} + C = -\frac{1}{x^4} + C

L'exposant passe de -5 à -4. Ajouter un à un nombre négatif le rend moins négatif.

Exemple : une puissance fractionnaire. Pour \int \sqrt[3]{x}\,dx, on écrit x^{1/3}. Le nouvel exposant est \frac{4}{3}, et diviser par \frac{4}{3} revient à multiplier par \frac{3}{4} :

\int x^{1/3}\,dx = \frac{3}{4}x^{4/3} + C

L'exception n = −1

Pour n = -1, la formule demande de diviser par zéro : elle ne s'applique plus. Une primitive de x^{-1} est le logarithme népérien :

\int \frac{1}{x}\,dx = \ln\lvert x\rvert + C

La valeur absolue rend le résultat valable aussi pour x négatif. C'est pourquoi \frac{1}{x} a sa propre ligne dans tout tableau de primitives.

Quand utiliser la primitive d'une puissance

Utilisez-la lorsque la fonction à intégrer est une somme de termes de la forme kx^n, éventuellement après réécriture :

  • les polynômes, terme par terme ;
  • les racines, après conversion en exposants fractionnaires ;
  • les termes avec x au dénominateur, après conversion en exposants négatifs ;
  • les produits ou quotients que l'on peut d'abord développer ou séparer, comme \frac{x^3 + 1}{x} = x^2 + x^{-1}.

Si la base n'est pas simplement x, comme dans (3x-2)^5, il faut un changement de variable. Si la variable est dans l'exposant, comme dans 2^x, il faut la formule exponentielle \int a^x\,dx = \frac{a^x}{\ln a} + C.

Erreurs fréquentes

  1. Diviser par l'ancien exposant. \int x^3\,dx = \frac{x^4}{4} + C, et non \frac{x^4}{3} + C.
  2. L'appliquer à un produit. \int x(x+1)\,dx n'est pas \frac{x^2}{2}\cdot\left(\frac{x^2}{2}+x\right). Développez d'abord en x^2 + x.
  3. L'utiliser pour \frac{1}{x}. \int x^{-1}\,dx vaut \ln\lvert x\rvert + C, et non \frac{x^0}{0}.
  4. Oublier le +C. Une intégrale indéfinie désigne toute une famille de fonctions.
  5. Traiter la puissance d'un binôme comme une puissance de x. \int (2x+1)^3\,dx \ne \frac{(2x+1)^4}{4} + C. En dérivant ce résultat, on obtient un facteur 2 en trop.

Pour une vue d'ensemble des primitives, y compris les formules trigonométriques et exponentielles, lisez le guide complet sur les primitives.

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Questions fréquentes

Quelle est la formule de la primitive d'une puissance ?

C'est la version intégrale de la règle de la puissance : \int x^n\,dx = \frac{x^{n+1}}{n+1} + C pour n \ne -1. On augmente l'exposant de un et on divise par le nouvel exposant.

Pourquoi la formule ne marche-t-elle pas pour 1/x ?

Pour n = -1, la formule diviserait par n + 1 = 0. Une primitive de \frac{1}{x} est en fait \ln\lvert x\rvert + C.

Comment intégrer une racine carrée avec cette formule ?

Écrivez \sqrt{x} sous la forme x^{1/2}. Alors \int x^{1/2}\,dx = \frac{x^{3/2}}{3/2} + C = \frac{2}{3}x^{3/2} + C.

Quelle est la primitive d'une constante ?

Une constante k s'écrit kx^0, donc la formule donne \int k\,dx = kx + C.

Peut-on utiliser cette formule pour (2x + 1)^3 ?

Pas directement, car la base n'est pas simplement x. Faites le changement de variable u = 2x + 1, ce qui donne \frac{(2x+1)^4}{8} + C, ou développez d'abord le cube.

Rédigé par l'équipe PracticeCalculus

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