Intégrale de 1/x² : formule, démonstration et exemples
L'intégrale de 1/x² vaut -1/x + C. L'écrire x^(-2), vérifier en dérivant, et des intégrales impropres comme de 1 à l'infini et le piège classique de -1 à 1.
Puissances, racines et fonctions rationnelles Mis à jour Lecture : 2 min
En bref
- Primitive
- -\dfrac{1}{x} + C
- D''abord réécrire
- \dfrac{1}{x^2} = x^{-2}
- Valable pour
- x \ne 0
- Intégrale impropre
- \int_1^\infty \dfrac{1}{x^2}\,dx = 1
- Vérification
- \dfrac{d}{dx}\left(-\dfrac{1}{x}\right) = \dfrac{1}{x^2}
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L'intégrale de \dfrac{1}{x^2} est -\dfrac{1}{x} + C. Contrairement à \frac{1}{x}, celle-ci se traite avec la règle de la puissance inverse ordinaire.
Graphique de 1/x² et de l'aire sous la courbe
Démonstration pas à pas
- Réécrire sous forme de puissance : \frac{1}{x^2} = x^{-2}.
- Appliquer la règle de la puissance inverse avec n = -2.
- Ajouter un à l'exposant : -2 + 1 = -1.
- Diviser par -1 : \frac{x^{-1}}{-1} = -\frac{1}{x}.
- Ajouter C.
Vérification par dérivation
La règle dans le sens direct se trouve sur la page dérivée de 1/x², et la page dérivée de 1/x montre que \frac{d}{dx}\frac{1}{x} = -\frac{1}{x^2}, c'est-à-dire le même fait lu dans l'autre sens.
Intégrales impropres
L'aire sous \frac{1}{x^2} jusqu'à l'infini est finie :
Comparez avec \int_1^\infty \frac{1}{x}\,dx, qui diverge car \ln b \to \infty. Ce contraste est le point de départ du critère de Riemann (test des séries et intégrales en p). La leçon sur les bornes d'intégration infinies le traite en détail.
Près de zéro, c'est l'inverse : \int_0^1 \frac{1}{x^2}\,dx = \lim_{a\to 0^+}\left(\frac{1}{a} - 1\right) = \infty.
Le piège classique : intégrer à travers zéro
En remplaçant dans la primitive, on obtient
Mais \frac{1}{x^2} est positive partout, donc son intégrale ne peut pas être négative. L'erreur vient de ce que \frac{1}{x^2} a une asymptote verticale en x = 0 : le théorème fondamental de l'analyse ne s'applique pas sur [-1, 1]. On coupe l'intégrale en 0 : chaque moitié diverge, donc l'intégrale entière diverge.
Variante par changement de variable
Avec u = ax + b :
Par exemple, \int \frac{1}{(2x + 1)^2}\,dx = -\frac{1}{2(2x + 1)} + C. Vérification : la dérivée vaut \frac{1}{2}(2x + 1)^{-2}\cdot 2 = \frac{1}{(2x + 1)^2}.
Exemples corrigés
Exemple 1. \int \frac{3}{x^2}\,dx = -\frac{3}{x} + C.
Exemple 2. \int \frac{x + 1}{x^2}\,dx = \int\left(\frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}\right)dx = \ln\lvert x\rvert - \frac{1}{x} + C. On sépare d'abord, puis on utilise l'intégrale de 1/x pour le premier morceau.
Exemple 3. \int_2^4 \frac{1}{x^2}\,dx = -\frac{1}{4} + \frac{1}{2} = \frac{1}{4}.
Exemple 4. \int \frac{1}{x^3}\,dx = \frac{x^{-2}}{-2} + C = -\frac{1}{2x^2} + C.
Erreurs fréquentes
- Écrire \ln(x^2). Le logarithme n'apparaît que pour \frac{1}{x}.
- Écrire -\frac{1}{x^3} ou \frac{1}{x}. L'exposant augmente de un (-2 \to -1), et on divise par -1, ce qui change le signe.
- Intégrer à travers une asymptote. Vérifiez toujours qu'il n'y a pas de division par zéro dans l'intervalle.
- Écrire \frac{1}{3x^3} en traitant \frac{1}{x^2} comme (x^2) et en intégrant cela. Réécrivez d'abord x^{-2}.
Essayez les exercices sur les intégrales impropres pour travailler le cas infini.
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