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Intégrales et fonctions trigonométriques réciproques

Intégrale de 1/(1+x²) : formule, méthode et exemples

L'intégrale de 1/(1+x²) vaut arctan x + C. Pourquoi, avec un changement de variable x = tan θ, la version 1/(a²+x²), un graphique et des exemples.

Intégrales et fonctions trigonométriques réciproques Mis à jour Lecture : 3 min

En bref

\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C
Primitive
\arctan x + C
Forme générale
\displaystyle\int \frac{dx}{a^2+x^2} = \frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a} + C
Méthode
Changement de variable x = \tan\theta, ou reconnaître la dérivée de arctan
De 0 à 1
\dfrac{\pi}{4}
Sur toute la droite réelle
\pi
Sur cette page
  1. Graphique de 1/(1+x²) et de sa primitive
  2. Comment intégrer 1/(1+x²) pas à pas
  3. Vérification par dérivation
  4. Intégrales définies
  5. Exemples corrigés
  6. Erreurs fréquentes

L'intégrale de \dfrac{1}{1+x^2} est \arctan x + C. C'est l'une des rares intégrales à reconnaître immédiatement, car elle transforme une simple fonction rationnelle en un angle.

\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C

La version plus générale, pour toute constante a > 0, est

\int \frac{1}{a^2+x^2}\,dx = \frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a} + C

Graphique de 1/(1+x²) et de sa primitive

y = 1/(1+x²), avec l'aire de 0 à 1 hachurée
L'aire hachurée vaut \arctan 1 - \arctan 0 = \frac{\pi}{4} \approx 0.785. La courbe en pointillés est la primitive \arctan x, qui se stabilise en \pm\frac{\pi}{2}.

La courbe \frac{1}{1+x^2} est positive partout, donc sa primitive est toujours croissante. Elle s'aplatit aussi très vite, c'est pourquoi \arctan x s'approche des droites horizontales y = \pm\frac{\pi}{2}.

Comment intégrer 1/(1+x²) pas à pas

On peut simplement reconnaître la dérivée de arctan x. Pour voir d'où vient le résultat, on utilise le changement de variable x = \tan\theta.

  1. Poser x = \tan\theta, donc dx = \sec^2\theta\,d\theta (où sec θ désigne 1/cos θ).
  2. Utiliser l'identité 1 + \tan^2\theta = \sec^2\theta : \int \frac{\sec^2\theta}{1+\tan^2\theta}\,d\theta = \int \frac{\sec^2\theta}{\sec^2\theta}\,d\theta = \int 1\,d\theta = \theta + C
  3. Revenir à x. Comme x = \tan\theta, on a \theta = \arctan x.

Pour \frac{1}{a^2+x^2}, on met a^2 en facteur et on pose u = \frac{x}{a}, dx = a\,du :

\int \frac{dx}{a^2\left(1 + \frac{x^2}{a^2}\right)} = \frac{1}{a^2}\int \frac{a\,du}{1+u^2} = \frac{1}{a}\arctan u + C = \frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a} + C

C'est l'idée du changement de variable trigonométrique, dans sa forme la plus simple.

Vérification par dérivation

\frac{d}{dx}\left(\frac{1}{a}\arctan\frac{x}{a}\right) = \frac{1}{a}\cdot\frac{1}{1 + \frac{x^2}{a^2}}\cdot\frac{1}{a} = \frac{1}{a^2 + x^2}

Avec a = 1, on retrouve \frac{1}{1+x^2}.

Intégrales définies

Intégrale Valeur
\int_0^1 \frac{dx}{1+x^2} \frac{\pi}{4} \approx 0.785
\int_{-1}^{1} \frac{dx}{1+x^2} \frac{\pi}{2}
\int_0^{\sqrt{3}} \frac{dx}{1+x^2} \frac{\pi}{3}
\int_{-\infty}^{\infty} \frac{dx}{1+x^2} \pi

La dernière est une intégrale impropre. Elle converge bien que l'intervalle soit infini, car \frac{1}{1+x^2} décroît comme \frac{1}{x^2}.

Exemples corrigés

Exemple 1 : une constante autre que 1. \displaystyle\int \frac{dx}{9 + x^2}. Ici a = 3 :

\int \frac{dx}{9+x^2} = \frac{1}{3}\arctan\frac{x}{3} + C

Exemple 2 : un coefficient devant x². \displaystyle\int \frac{dx}{1 + 4x^2}. On pose u = 2x, du = 2\,dx :

\frac{1}{2}\int \frac{du}{1+u^2} = \frac{1}{2}\arctan(2x) + C

Exemple 3 : forme canonique. \displaystyle\int \frac{dx}{x^2 + 2x + 5}. On écrit x^2 + 2x + 5 = (x+1)^2 + 4, puis on utilise a = 2 avec u = x + 1 :

\int \frac{dx}{(x+1)^2 + 4} = \frac{1}{2}\arctan\frac{x+1}{2} + C

Exemple 4 : séparer le numérateur. \displaystyle\int \frac{x + 3}{x^2 + 1}\,dx. On sépare en deux intégrales connues :

\int \frac{x}{x^2+1}\,dx + 3\int \frac{dx}{x^2+1} = \frac{1}{2}\ln(x^2+1) + 3\arctan x + C

La première partie est traitée sur la page intégrale de x/(x²+1).

Erreurs fréquentes

  1. Écrire \ln(1 + x^2). C'est la primitive de \frac{2x}{1+x^2}, pas de \frac{1}{1+x^2}. Sans x au numérateur, il n'y a pas de du pour un changement de variable logarithmique.
  2. Oublier le \frac{1}{a}. \int \frac{dx}{4+x^2} vaut \frac{1}{2}\arctan\frac{x}{2}, et non \arctan\frac{x}{2}. Dérivez votre résultat pour le repérer.
  3. La confondre avec \frac{1}{1-x^2}. Un signe moins change tout. \frac{1}{1-x^2} demande une décomposition en éléments simples et donne des logarithmes ; voir l'intégrale de 1/(x²−1).
  4. Utiliser des degrés. \arctan 1 = \frac{\pi}{4}, et non 45. En analyse, on travaille toujours en radians.

Pour la fonction réciproque elle-même, voir la page arctangente. Pour intégrer \arctan x (au lieu de l'obtenir comme résultat), voir l'intégrale de arctan x.

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Questions fréquentes

Quelle est l'intégrale de 1/(1+x²) ?

C'est \arctan x + C, aussi noté \tan^{-1} x + C.

Quelle est l'intégrale de 1/(a²+x²) ?

C'est \frac{1}{a}\arctan\left(\frac{x}{a}\right) + C pour a > 0. Par exemple, \int \frac{dx}{4+x^2} = \frac{1}{2}\arctan\frac{x}{2} + C.

Quelle est l'intégrale de x/(1+x²) ?

C'est \frac{1}{2}\ln(1+x^2) + C. On pose u = 1 + x^2, donc du = 2x\,dx. Le x supplémentaire au numérateur transforme l'arctan en logarithme.

Combien vaut l'intégrale de 1/(1+x²) de moins l'infini à l'infini ?

Elle vaut \pi. La primitive \arctan x va de -\frac{\pi}{2} à \frac{\pi}{2}, donc l'aire totale vaut \frac{\pi}{2} - \left(-\frac{\pi}{2}\right) = \pi.

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