Integration by Parts

Technique de l'intégration par parties

L'intégration par parties est une méthode dérivée de la règle du produit pour la dérivation. Elle est définie par la formule fondamentale udv=uvvdu\int u \,dv = uv - \int v \,du, ou plus formellement par f(x)g(x)dx=f(x)g(x)g(x)f(x)dx\int f(x) \cdot g'(x) \,dx = f(x) \cdot g(x) - \int g(x) \cdot f'(x) \,dx. Pour appliquer cette technique efficacement, deux critères doivent être respectés lors du choix de uu et de dvdv : la variable vv doit être facile à calculer par intégration de dvdv, et l'intégrale résultante vdu\int v \,du doit être plus simple à résoudre que l'intégrale originale.

La règle LIATE et le choix des variables

Pour faciliter le choix de la variable uu, on utilise généralement la règle heuristique LIATE, qui définit un ordre de priorité décroissant : Logarithmique, trigonométrique Inverse, Algébrique, Trigonométrique, et Exponentielle. Par exemple, dans le calcul de x2tan1(x)dx\int x^2 \tan^{-1}(x) \,dx, la fonction trigonométrique inverse tan1(x)\tan^{-1}(x) est choisie pour uu, tandis que x2dxx^2 \,dx devient dvdv. Un mauvais choix, comme prendre u=cos(x)u = \cos(x) pour l'intégrale xcos(x)dx\int x \cos(x) \,dx, peut mener à une expression plus complexe, telle que x22cos(x)+12x2sin(x)dx\frac{x^2}{2} \cos(x) + \frac{1}{2} \int x^2 \sin(x) \,dx, au lieu de la solution simple xsin(x)+cos(x)+Cx \sin(x) + \cos(x) + C.

Intégrales définies et méthodes de substitution

Lors de l'évaluation d'intégrales définies par parties, la formule s'énonce comme suit : abf(x)g(x)dx=[f(x)g(x)]ababg(x)f(x)dx\int_a^b f(x) \cdot g'(x) \,dx = [f(x) \cdot g(x)]_a^b - \int_a^b g(x) \cdot f'(x) \,dx. Dans certains cas, une substitution préalable est nécessaire avant d'appliquer l'intégration par parties. C'est le cas pour 14exdx\int_1^4 e^{\sqrt{x}} \,dx, où le changement de variable z=xz = \sqrt{x} (donnant dx=2zdzdx = 2z \,dz) transforme l'expression en 212zezdz2 \int_1^2 z e^z \,dz, facilitant ainsi l'application de la règle pour obtenir le résultat final 2e22e^2.

Intégrales cycliques et cas particuliers

Certaines fonctions présentent un caractère cyclique lors de l'intégration par parties, comme I=excos(x)dxI = \int e^x \cos(x) \,dx. Après deux itérations de la méthode, l'intégrale originale réapparaît dans l'équation, permettant d'isoler II algébriquement pour trouver I=ex2(cos(x)+sin(x))+CI = \frac{e^x}{2} (\cos(x) + \sin(x)) + C. De même, pour sec3(x)dx\int \sec^3(x) \,dx, l'utilisation de l'identité trigonométrique tan2(x)=sec2(x)1\tan^2(x) = \sec^2(x) - 1 et de la primitive connue sec(x)dx=lnsec(x)+tan(x)+C\int \sec(x) \,dx = \ln|\sec(x) + \tan(x)| + C permet de conclure que l'intégrale est égale à 12[sec(x)tan(x)+lnsec(x)+tan(x)]+C\frac{1}{2} [ \sec(x) \tan(x) + \ln|\sec(x) + \tan(x)| ] + C.