Terminale Spé Maths / Chapitre 7 : Primitives et équations différentielles
Fiche 1 : les primitives
Dix exercices pour maîtriser toutes les recherches de primitives du programme :
- primitives usuelles ;
- formes u′un, uu′, uu′, u′eu ;
- fonctions trigonométriques et linéarisation ;
- identification d'une primitive de la forme (ax2+bx+c)ex ;
- condition initiale ;
- vérification ;
- décomposition de fractions ;
- vrai/faux.
Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :
- intervalle précisé ;
- forme reconnue (u et u′ identifiés) ;
- ajustement des constantes ;
- primitive vérifiée par dérivation ;
- « +C » écrit.
💡 Le modèle de rédaction d'une primitive
« Sur I, f est de la forme u′un avec u(x)=x2+1 et u′(x)=2x. On a x(x2+1)4=21×2x(x2+1)4. Donc les primitives de f sur I sont les fonctions :
F(x)=21×5(x2+1)5+C=10(x2+1)5+C, avec C∈R. »
- Précise l'intervalle quand il y a un logarithme, une racine ou un dénominateur.
- Identifie u et u′, puis ajuste avec une constante.
- Écris +C si on demande « les primitives », rien si on demande « une primitive ».
⚠️ Les pièges classiques
- Oublier le facteur constant qui compense u′ (÷2, ÷3…).
- Écrire lnu sans vérifier que u>0 sur l'intervalle (sinon ln∣u∣).
- Primitiver un produit facteur par facteur.
- Oublier « +C ».
😄 Une primitive non vérifiée, c'est une réponse au loto : elle a une chance de tomber juste, et le correcteur le sait.
Exercice 1 (★) : les primitives usuelles
Déterminer les primitives de :
1. f(x)=3x2−4x+1 sur R
2. g(x)=x4−x21+x sur ]0;+∞[
3. h(x)=x1+ex−cosx sur ]0;+∞[
4. k(x)=x2+x33 sur ]0;+∞[
✏️ Correction de l'exercice 1
Méthode
On utilise la linéarité des primitives et la table des primitives usuelles. C désigne un réel quelconque.
Question 1
✅ F(x)=x3−2x2+x+C
Question 2
Une primitive de x4 est 5x5. Une primitive de −x21 est x1. Comme x=x1/2, une primitive de x est 3/2x3/2=32xx.
✅ G(x)=5x5+x1+32xx+C
Question 3
✅ H(x)=lnx+ex−sinx+C
Question 4
Une primitive de x1 est 2x, donc une primitive de x2 est 4x. Puis x33=3x−3 a pour primitive 3×−2x−2=−2x23.
✅ K(x)=4x−2x23+C
Exercice 2 (★★) : la forme u′un
Déterminer les primitives de :
1. f(x)=(2x+1)3 sur R
2. g(x)=x(x2+1)4 sur R
3. h(x)=(3x−1)21 sur ]31;+∞[
4. k(x)=(x2+1)2x sur R
✏️ Correction de l'exercice 2
Méthode
On utilise : u′un a pour primitive n+1un+1 (n=−1).
Question 1
Avec u(x)=2x+1, u′(x)=2 : f(x)=21×2(2x+1)3=21u′u3.
✅ F(x)=21×4(2x+1)4+C=8(2x+1)4+C
Question 2
Avec u(x)=x2+1, u′(x)=2x : g(x)=21×2x(x2+1)4=21u′u4.
✅ G(x)=21×5(x2+1)5+C=10(x2+1)5+C
Question 3
Avec u(x)=3x−1>0 sur l'intervalle et u′(x)=3 : h(x)=31×3u−2. Une primitive de u′u−2 est −1u−1=−u1.
✅ H(x)=−3(3x−1)1+C
Question 4
Avec u(x)=x2+1>0, u′(x)=2x : k(x)=21×2x×u−2.
✅ K(x)=21×(−x2+11)+C=−2(x2+1)1+C
Exercice 3 (★★) : les formes uu′ et uu′
Déterminer une primitive de :
1. x2+12x sur R
2. 3x+21 sur ]−32;+∞[
3. x2+1x sur R
4. 2x+11 sur ]−21;+∞[
5. ex+1ex sur R
6. x2+1x sur R
✏️ Correction de l'exercice 3
Méthode
On utilise uu′→ln∣u∣ et uu′→2u.
Question 1
Avec u(x)=x2+1>0, u′(x)=2x :
✅ F(x)=ln(x2+1)
Question 2
Avec u(x)=3x+2>0 et u′(x)=3 : 3x+21=31×uu′.
✅ F(x)=31ln(3x+2)
Question 3
x2+1x=21×x2+12x
✅ F(x)=21ln(x2+1)
Question 4
Avec u(x)=2x+1>0, u′(x)=2 : 2x+11=21×uu′. Une primitive de uu′ est 2u.
✅ F(x)=21×22x+1=2x+1
Question 5
Avec u(x)=ex+1>0, u′(x)=ex :
✅ F(x)=ln(ex+1)
Question 6
Avec u(x)=x2+1>0, u′(x)=2x : x2+1x=21×uu′.
✅ F(x)=21×2x2+1=x2+1
Exercice 4 (★★) : la forme u′eu
Déterminer une primitive de :
1. e3x−1
2. xex2
3. e−x
4. (2x+1)ex2+x
5. x2e1/x sur ]0;+∞[
✏️ Correction de l'exercice 4
Méthode
On utilise u′eu→eu.
Question 1
Avec u(x)=3x−1, u′(x)=3 : e3x−1=31u′eu.
✅ F(x)=3e3x−1
Question 2
Avec u(x)=x2, u′(x)=2x : xex2=21u′eu.
✅ F(x)=21ex2
Question 3
Avec u(x)=−x, u′(x)=−1 : e−x=−u′eu.
✅ F(x)=−e−x
Question 4
Avec u(x)=x2+x, u′(x)=2x+1 : la fonction est u′eu.
✅ F(x)=ex2+x
Question 5
Avec u(x)=x1, u′(x)=−x21 : x2e1/x=−u′eu.
✅ F(x)=−e1/x
Exercice 5 (★★) : trigonométrie et linéarisation
Déterminer une primitive de :
1. cos(2x+1)
2. sin(3x)
3. sinxcosx
4. cos2x
5. sin2x
6. cos2xsinx sur ]−2π;2π[
✏️ Correction de l'exercice 5
Question 1
cos(ax+b) a pour primitive asin(ax+b).
✅ F(x)=21sin(2x+1)
Question 2
✅ F(x)=−31cos(3x)
Question 3
Avec u(x)=sinx, u′(x)=cosx : sinxcosx=u′u.
✅ F(x)=21sin2x
Question 4
On linéarise : cos2x=21+cos2x.
✅ F(x)=2x+4sin(2x)
Question 5
On linéarise : sin2x=21−cos2x.
✅ F(x)=2x−4sin(2x)
Question 6
Avec u(x)=cosx>0 sur l'intervalle, u′(x)=−sinx : cos2xsinx=−u2u′. Une primitive de u2u′ est −u1. Donc une primitive de −u2u′ est u1.
✅ F(x)=cosx1
Exercice 6 (★★★) : identification d'une primitive
1. Déterminer a, b, c tels que F(x)=(ax2+bx+c)ex soit une primitive de f(x)=(x2+x)ex sur R.
2. Déterminer une primitive de f(x)=xe−x, de la forme (ax+b)e−x.
3. Montrer que x↦xlnx−x est une primitive de ln sur ]0;+∞[.
✏️ Correction de l'exercice 6
Question 1
F est dérivable sur R et :
F′(x)=(2ax+b)ex+(ax2+bx+c)ex=(ax2+(2a+b)x+b+c)ex
On veut F′(x)=(x2+x)ex pour tout x. Il suffit d'identifier les coefficients :
a=1
2a+b=1
b+c=0
Donc a=1, b=−1, c=1.
✅ F(x)=(x2−x+1)ex est une primitive de f.
Question 2
Pour F(x)=(ax+b)e−x : F′(x)=ae−x−(ax+b)e−x=(−ax+a−b)e−x.
On veut xe−x : −a=1 et a−b=0, donc a=−1 et b=−1.
✅ F(x)=−(x+1)e−x
Question 3
Soit G(x)=xlnx−x. G est dérivable sur ]0;+∞[ et G′(x)=lnx+x×x1−1=lnx.
✅ Donc G est une primitive de ln.
Exercice 7 (★★) : primitive avec condition initiale
Déterminer la primitive F de f qui vérifie la condition donnée :
1. f(x)=2x−3, F(1)=4
2. f(x)=e2x, F(0)=1
3. f(x)=x1 sur ]0;+∞[, F(e)=3
✏️ Correction de l'exercice 7
Question 1
Les primitives de f sont F(x)=x2−3x+C. F(1)=1−3+C=C−2=4, donc C=6.
✅ F(x)=x2−3x+6
Question 2
F(x)=2e2x+C. F(0)=21+C=1, donc C=21.
✅ F(x)=2e2x+1
Question 3
F(x)=lnx+C. F(e)=1+C=3, donc C=2.
✅ F(x)=lnx+2
Exercice 8 (★★) : vérifier qu'une fonction est une primitive
Montrer que :
1. F(x)=(x−1)ex est une primitive de f(x)=xex sur R.
2. H(x)=2x2lnx−4x2 est une primitive de h(x)=xlnx sur ]0;+∞[.
3. K(x)=ln(1+ex) est une primitive de k(x)=1+exex sur R.
✏️ Correction de l'exercice 8
Méthode
Pour montrer que F est une primitive de f, il suffit de dériver F et de retrouver f.
Question 1
F est dérivable sur R comme produit. F′(x)=ex+(x−1)ex=xex=f(x).
✅ F est une primitive de f.
Question 2
H est dérivable sur ]0;+∞[.
H′(x)=xlnx+2x2×x1−2x=xlnx+2x−2x=xlnx=h(x)
✅ H est une primitive de h.
Question 3
Comme 1+ex>0, K est dérivable sur R et K′(x)=1+exex=k(x).
✅ K est une primitive de k.
Exercice 9 (★★★) : décomposer une fraction
Sur ]−1;+∞[, déterminer une primitive de :
1. x+12x+3
2. x+1x
3. x+1x2
✏️ Correction de l'exercice 9
Méthode
On fait apparaître x+11, dont une primitive sur ]−1;+∞[ est ln(x+1).
Question 1
2x+3=2(x+1)+1 donc x+12x+3=2+x+11.
✅ F(x)=2x+ln(x+1)
Question 2
x=(x+1)−1 donc x+1x=1−x+11.
✅ F(x)=x−ln(x+1)
Question 3
x2=(x+1)(x−1)+1 donc x+1x2=x−1+x+11.
✅ F(x)=2x2−x+ln(x+1)
Exercice 10 (★★) : vrai ou faux
Justifier chaque réponse :
1. Toute fonction continue sur R admet une primitive sur R.
2. Une primitive de fg est FG, où F et G sont des primitives de f et g.
3. Deux primitives d'une même fonction sur un intervalle diffèrent d'une constante.
4. La primitive s'annulant en 0 d'une fonction paire sur R est impaire.
5. Si f est positive sur I, toute primitive de f est croissante sur I.
6. Une fonction f a une seule primitive sur I.
✏️ Correction de l'exercice 10
Affirmation 1
Théorème d'existence : toute fonction continue sur un intervalle y admet des primitives.
✅ Vrai.
Affirmation 2
Contre-exemple : f=g=1, F(x)=G(x)=x. Une primitive de fg=1 est x, mais FG(x)=x2.
❌ Faux.
Affirmation 3
Si F et G sont deux primitives de f sur I, (F−G)′=f−f=0. Donc F−G est constante sur l'intervalle I.
✅ Vrai.
Affirmation 4
Soit F la primitive de f (paire) qui s'annule en 0.
La fonction x↦−F(−x) est dérivable de dérivée F′(−x)=f(−x)=f(x).
C'est aussi une primitive de f, qui s'annule en 0.
Par unicité, −F(−x)=F(x), c'est-à-dire F(−x)=−F(x).
✅ Vrai : F est impaire.
Affirmation 5
Si F′=f≥0 sur I, F est croissante sur I.
✅ Vrai.
Affirmation 6
Si F est une primitive de f, toutes les fonctions F+C (C∈R) en sont : il y en a une infinité.
❌ Faux.
🎯 Ce qui peut tomber au bac sur les primitives
- Des primitives de formes classiques u′un, uu′, u′eu, avec ajustement des constantes (exercices 2, 3, 4).
- La vérification d'une primitive par dérivation ou l'identification d'une primitive (exercices 6 et 8).
- Une primitive avec condition initiale (exercice 7).
- Les fonctions trigonométriques avec linéarisation (exercice 5).
- Une fraction rationnelle à décomposer (exercice 9).
QCM : vérifie tes acquis
10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.
Question 1 sur 10
Quelle est une primitive de 3x2+1 sur R ?
On dérive : (x3+x)′=3x2+1.
Question 2 sur 10
Quelle est une primitive de e2x sur R ?
(21e2x)′=21×2e2x=e2x.
Question 3 sur 10
Quelle est une primitive de x1 sur ]0;+∞[ ?
(lnx)′=x1 sur ]0;+∞[.
Question 4 sur 10
Deux primitives d'une même fonction sur un intervalle :
Si F et G sont deux primitives, (F−G)′=0 : F−G est constante sur l'intervalle.
Question 5 sur 10
Quelle est une primitive de cos(3x) ?
(31sin(3x))′=31×3cos(3x).
Question 6 sur 10
Dans l'exercice 2, quelle est une primitive de h(x)=(3x−1)21 ?
On reconnaît la forme u′u−2 avec u=3x−1, u′=3 : une primitive de u′u−2 est −u−1=−3x−11, à multiplier par 31.
Question 7 sur 10
Dans l'exercice 4, quelle est une primitive de xex2 ?
Forme u′eu avec u=x2, u′=2x : une primitive de 2xex2 est ex2, donc de xex2 c'est 21ex2.
Question 8 sur 10
Dans l'exercice 5, quelle est une primitive de cos2x ?
On linéarise : cos2x=21+cos(2x), dont une primitive est 2x+4sin(2x).
Question 9 sur 10
Dans l'exercice 7, quelle est la primitive F de f(x)=2x−3 telle que F(1)=4 ?
Les primitives de 2x−3 sont x2−3x+C ; F(1)=1−3+C=4 donne C=6.
Question 10 sur 10
Dans l'exercice 9, quelle est une primitive de x+1x2 sur ]−1;+∞[ ?
On effectue la division : x+1x2=x−1+x+11, dont une primitive est 2x2−x+ln(x+1).