Intégrale de cotan x : formule, démonstration et exemples
L'intégrale de cotan x vaut ln|sin x| + C. Le changement de variable u = sin x, le lien avec tan x, puis cotan(ax), cotan² x et des intégrales définies.
Intégrales trigonométriques Mis à jour Lecture : 2 min
En bref
- Primitive
- \ln\lvert\sin x\rvert + C
- Forme équivalente
- -\ln\lvert\csc x\rvert + C
- Méthode
- Écrire \dfrac{\cos x}{\sin x}, puis poser u = \sin x
- Forme affine
- \int\cot(ax)\,dx = \dfrac{1}{a}\ln\lvert\sin(ax)\rvert + C
- Vérification
- \dfrac{d}{dx}\ln\lvert\sin x\rvert = \cot x
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L'intégrale de \cot x est \ln\lvert\sin x\rvert + C (en France, la cotangente se note souvent cotan x). Elle s'obtient par un seul changement de variable et c'est le reflet de l'intégrale de tan x.
Graphique de cotan x et de sa primitive
Démonstration pas à pas
- Réécrire : \displaystyle\int\cot x\,dx = \int\frac{\cos x}{\sin x}\,dx.
- Poser u = \sin x. Alors du = \cos x\,dx.
- Substituer : \displaystyle\int\frac{du}{u} = \ln\lvert u\rvert + C.
- Remplacer u = \sin x : \ln\lvert\sin x\rvert + C.
L'étape 3 est l'intégrale de 1/x. Comme \ln\lvert\sin x\rvert = -\ln\lvert\csc x\rvert, certains ouvrages écrivent le résultat -\ln\lvert\csc x\rvert + C. C'est la même fonction.
Vérification par dérivation
Dans le sens direct, c'est différent : la dérivée de cotan x vaut -\csc^2 x.
Comparaison de tan et cotan
| \tan x | \cot x | |
|---|---|---|
| Réécriture | \frac{\sin x}{\cos x} | \frac{\cos x}{\sin x} |
| Changement de variable | u = \cos x, du = -\sin x\,dx | u = \sin x, du = \cos x\,dx |
| Intégrale | -\ln\lvert\cos x\rvert + C | \ln\lvert\sin x\rvert + C |
| Dérivée | \sec^2 x | -\csc^2 x |
Le signe moins apparaît pour \tan x mais pas pour \cot x, car \cos x se dérive en -\sin x alors que \sin x se dérive en +\cos x.
Intégrales définies
Partir de x = 0 donne une intégrale impropre divergente, puisque \ln\sin x \to -\infty quand x \to 0^+.
Variantes par changement de variable
Exemple 1. \int\cot(4x)\,dx = \frac{1}{4}\ln\lvert\sin 4x\rvert + C.
Exemple 2. \int x\cot(x^2)\,dx = \frac{1}{2}\ln\lvert\sin(x^2)\rvert + C, avec u = x^2.
Exemple 3 : cotangente au carré. On utilise \cot^2 x = \csc^2 x - 1 :
Vérification : \frac{d}{dx}(-\cot x - x) = \csc^2 x - 1 = \cot^2 x.
Exemple 4 : une cotangente cachée. \int\frac{\cos x}{3\sin x + 2}\,dx = \frac{1}{3}\ln\lvert 3\sin x + 2\rvert + C, avec u = 3\sin x + 2.
Erreurs fréquentes
- Répondre -\csc^2 x. C'est la dérivée de \cot x.
- Ajouter un signe moins par analogie avec \tan x. -\ln\lvert\sin x\rvert a pour dérivée -\cot x.
- Répondre \ln\lvert\cos x\rvert. Le logarithme porte sur le dénominateur de \frac{\cos x}{\sin x}, c'est-à-dire \sin x.
- Oublier la valeur absolue. \sin x < 0 sur (\pi, 2\pi).
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