Exercice 14-05
Calculer les primitives de fonctions rationnelles ci-dessous:
  1. \(\displaystyle \int \frac{x-2}{x^2+2x+2}\,dx\)
  2. \(\displaystyle \int \frac{x-2}{x(x+1)^2}\,dx\)
  3. \(\displaystyle \int\frac{x^3}{(1+x^2)^2}\,dx\)
  4. \(\displaystyle \int\frac{x^2-2}{x^3-x^2}\,dx\)
  5. \(\displaystyle \int \frac{2x^4+7x^3-4x^2-2x+1}{x^3+4x^2-1}\,dx\)
  6. \(\displaystyle \int\frac{4x}{x^4-1}\,dx\)
  7. \(\displaystyle \int\frac{1}{x^4+x^3+x^2+x}\,dx\)
  8. \(\displaystyle \int\frac{1}{x^4+1}\,dx\)
Les idées de base pour l'intégration des fonctions rationnelles sont présentées ici.

Pour factoriser le dénominateur: \[x^4+x^3+x^2+x=x(x^3+x^2+x+1)=x(x^2(x+1)+(x+1))\]

On a vu, dans le chapitre sur les nombres complexes, des méthodes de factorisation de polynômes. On y a en particulier factorisé le polynôme réel \(P(x)=x^4+1\).

  1. Comme le discriminant de \(x^2+2x+2\) est négatif, on complète le carré: \(x^2+2x+2=(x+1)^2+1\), et donc \[\begin{aligned} \int \frac{x-2}{x^2+2x+2}\,dx&= \int \frac{x-2}{(x+1)^2+1}\,dx\\ &= \int \frac{t-3}{t^2+1}\,dt\\ &= \int \frac{t}{t^2+1}\,dt-3 \int \frac{1}{t^2+1}\,dt\\ &=\frac12\log(t^2+1)-3\arctan(t)+C\\ &=\frac12\log(x^2+2x+2)-3\arctan(x+1)+C\,. \end{aligned}\]
  2. La décomposition en éléments simples est \[ \frac{x-2}{x(x+1)^2}= \frac{\alpha}{x} + \frac{\beta}{x+1} + \frac{\gamma}{(x+1)^2}\,,\] où \(\alpha=-2\), \(\beta=2\), \(\gamma=3\). Ainsi, \[\begin{aligned} \int\frac{x-2}{x(x+1)^2}&\,dx \\ =& \int \left(-\frac{2}{x}+\frac{2}{x+1}+\frac{3}{(x+1)^2}\right)\,dx\\ =& -2\log|x|+2\log|x+1|-\frac{3}{x+1}+C. \end{aligned}\]
  3. La décomposition en éléments simples est \[ \frac{x^3}{\left(1 + x^2\right)^2}= \frac{\alpha x + \beta }{1+x^2} + \frac{\gamma x + \delta}{\left(1+x^2\right)^2}\,, \] avec \(\alpha=1\), \(\beta=0\), \(\gamma=-1\), \(\delta=0\), d'où \[\begin{aligned} \int\frac{x^3}{\left(1+x^2\right)^2}&\,dx \\ =& \int \left( \frac{x}{1+x^2}+\frac{-x}{\left(1+x^2\right)^2} \right)\,dx\\ =& \frac{1}{2}\log\!\left(1+x^2\right)+\frac{1}{2(1+x^2)} + C. \end{aligned}\]
  4. La décomposition en éléments simples est \[ \frac{x^2-2}{x^3-x^2}=\frac{\alpha}{x}+\frac{\beta }{x ^2}+\frac{\gamma }{x-1}\,, \] avec \(\alpha=2\), \(\beta=2\), \(\gamma=-1\). On obtient donc \[\begin{aligned} \int \frac{x^2-2}{x^3-x^2}&\,dx\\ =&\int\left( \frac{2}{x} + \frac{2}{x ^2} - \frac{1}{x-1}\right)\,dx\\ =&2\log\!\left(|x|\right) - \log\!\left(|x-1|\right)-\frac{2}{x} + C. \end{aligned}\]
  5. La division polynomiale du numérateur par le dénominateur donne \(p(x)=2x-1\) (sans reste), donc \[\begin{aligned} \int\frac{2x^4+7x^3-4x^2-2x+1}{x^3+4x^2-1}\,dx &=\int(2x-1)\,dx\\ &=x^2-x+C\,. \end{aligned}\]
  6. La décomposition en éléments simples est \[ \frac{4x}{x^4- 1}=\frac{\alpha }{x-1} + \frac{\beta}{x+1} + \frac{\gamma x + \delta}{x^2+1} \] avec \(\alpha=1\), \(\beta=1\), \(\gamma=-2\), \(\delta=0\), d'où \[\begin{aligned} \int\frac{4x}{x^4-1}&\,dx\\ =&\int\left(\frac{1}{x-1} + \frac{1}{x+1} - \frac{2x}{x^2+1}\right)\,dx\\ =&\log\left(\frac{\left|x^2-1\right|}{x^2+1}\right)+C. \end{aligned}\]
  7. Cliquer ici.
  8. On a vu ici que l'on peut factoriser \(x^4+1\) en un produit de facteurs irréductibles de degré \(2\): \[ x^4+1=(x^2-\sqrt{2}x+1)(x^2+\sqrt{2}x+1)\,. \] Puisque ces deux polynômes de degré \(2\) sont irréductibles (les deux ont \(\Delta=-2\lt 0\)), on cherche une décomposition en éléments simples de la forme \[\begin{aligned} \frac{1}{x^4+1} &= \frac{1}{(x^2-\sqrt{2}x+1)(x^2+\sqrt{2}x+1)}\\ &=\frac{Ax+B}{x^2-\sqrt{2}x+1} +\frac{Cx+D}{x^2+\sqrt{2}x+1}\,. \end{aligned}\]. On trouve: \[ A=-\frac{1}{2\sqrt{2}}\,,\quad B=\frac{1}{2}\,,\quad C=\frac{1}{2\sqrt{2}}\,,\quad D=\frac{1}{2}\,. \] Pour l'intégration, on réarrange un peu les termes: \[\begin{aligned} \frac{1}{x^4+1} &=\frac{-\frac{1}{2\sqrt{2}}x+\frac12}{x^2-\sqrt{2}x+1} +\frac{\frac{1}{2\sqrt{2}}x+\frac12}{x^2+\sqrt{2}x+1}\\ &= -\frac{1}{4\sqrt{2}}\frac{2x-\sqrt{2}}{x^2-\sqrt{2}x+1} +\frac14\frac{1}{x^2-\sqrt{2}x+1}\\ &\phantom{=}+\frac{1}{4\sqrt{2}}\frac{2x+\sqrt{2}}{x^2+\sqrt{2}x+1} +\frac14\frac{1}{x^2+\sqrt{2}x+1}\,. \end{aligned}\] Or \[ \int \frac{2x\mp\sqrt{2}}{x^2\mp\sqrt{2}x+1}\,dx =\log(x^2\mp\sqrt{2}x+1)+C\,, \] et \[\begin{aligned} \int\frac{1}{x^2\mp\sqrt{2}x+1}\,dx &=\int\frac{1}{(x\mp\frac{\sqrt{2}}{2})^2+\frac12}\,dx\\ &=2\int \frac{1}{(\sqrt{2}x\mp 1)^2+1}\,dx\\ &=\sqrt{2}\int \frac{\sqrt{2}}{(\sqrt{2}x\mp 1)^2+1}\,dx\\ &=\sqrt{2}\arctan(\sqrt{2}x\mp 1)+C\,. \end{aligned}\]