Histoire du calcul
Le calcul infinitésimal est l’ensemble des outils mathématiques pour étudier les variations continues : dérivées (taux de variation instantané) et intégrales (accumulation). Il est l’un des accomplissements intellectuels les plus importants de l’humanité.
Limites & continuité
La notion de limite est le fondement rigoureux de tout le calcul. Elle formalise l’idée qu’une fonction se rapproche d’une valeur sans nécessairement l’atteindre.
Règles opératoires
- lim(f+g) = lim f + lim g
- lim(f·g) = lim f · lim g
- lim(f/g) = lim f / lim g (si lim g ≠ 0)
- lim(fˆg) = f(lim g) (si f continue)
Limites remarquables
- limx→0 sin(x)/x = 1
- limx→0 (1−cos x)/x² = 1/2
- limx→∞ (1+1/x)x = e
- limx→0 (ex−1)/x = 1
- limx→0 ln(1+x)/x = 1
Continuité
f est continue en a si limx→a f(x) = f(a). Les fonctions polynomiales, rationnelles (hors zéros), trigonométriques, exponentielles et logarithmiques sont continues sur leur domaine.
Théorème des valeurs intermédiaires : si f est continue sur [a,b] et f(a)<y<f(b), alors ∃c∈]a,b[ avec f(c)=y.
Dérivées
La dérivée mesure le taux de variation instantané d’une fonction : c’est la pente de la tangente à la courbe en un point.
Règles de calcul
- Linéarité : (αf + βg)′ = αf′ + βg′
- Produit : (fg)′ = f′g + fg′
- Quotient : (f/g)′ = (f′g − fg′) / g²
- Composition (chaîne) : (fˆg)′(x) = f′(g(x)) · g′(x)
- Inverse : (f−1)′(y) = 1 / f′(f−1(y))
Théorèmes importants
- Rolle : f continue sur [a,b], dérivable sur ]a,b[, f(a)=f(b) ⇒ ∃c, f′(c)=0
- Valeur moyenne (Lagrange) : ∃c, f′(c) = [f(b)−f(a)]/(b−a)
- L’Hôpital : lim f/g = lim f′/g′ (formes indéterminées 0/0 ou ∞/∞)
- Taylor : f(a+h) = ∑ f(n)(a)/n! · hn + rn
Intégrales
L’intégrale de Riemann de f sur [a,b] est la limite des sommes de Riemann : l’aire algébrique sous la courbe (négative en dessous de l’axe des x).
Théorème fondamental de l’analyse
Le théorème fondamental de l’analyse (TFA) est la pierre angulaire du calcul : il établit que dérivation et intégration sont des opérations inverses l’une de l’autre.
Si f est continue, la fonction F définie par une intégrale à borne variable est une primitive de f. La dérivée « défait » l’intégration.
Pour calculer une intégrale définie, il suffit de trouver une primitive F et d’en calculer la différence aux bornes. Cela transforme un problème de limite en calcul algébrique.
Exemple classique
∫02 x² dxOn cherche une primitive de x²F(x) = x³/3Car F′(x) = x² ✓= [x³/3]02 = 8/3 − 0 = 8/3Aire sous la parabole entre 0 et 2Techniques d’intégration
1. Substitution (changement de variable)
Exemple : ∫ 2x ex² dx. Poser u=x², du=2x dx. → ∫ eu du = eu + C = ex² + C.
2. Intégration par parties (IPP)
Exemple : ∫ x ex dx. u=x, dv=exdx. → x ex − ∫ ex dx = x ex − ex + C = (x−1)ex + C.
3. Fractions partielles
Exemple : ∫ 1/(x²−1) dx = ∫ 1/2 · [1/(x−1) − 1/(x+1)] dx = ½ ln|(x−1)/(x+1)| + C.
4. Substitution trigonométrique
√(a²+x²) → x=a tan θ
√(x²−a²) → x=a sec θ
Exemple : ∫ √(1−x²) dx. x=sinθ, dx=cosθdθ. → ∫ cos²θ dθ = θ/2 + sin(2θ)/4 + C.
5. Intégration par récurrence
Exemple : In = ∫ sinnx dx. IPP donne In = −sinn−1x cos x/n + (n−1)/n · In−2.
6. Intégrales impropres
Exemple : ∫1∞ 1/x² dx = [−1/x]1∞ = 0+1 = 1. Converge.
Critère : ∫1∞ 1/xp dx converge si et seulement si p>1.
Séries et développements
Une série est la somme d’une suite infinie de termes. Elle converge si ses sommes partielles tendent vers une limite finie.
Série géométrique
Converge si |r|<1. Ex. : 1+1/2+1/4+… = 2
Série de Riemann (p-série)
Pour p=1 : harmonique, diverge. Pour p=2 : π²/6 (problème de Bâle, Euler).
Développement de Taylor-MacLaurin
Valide dans le rayon de convergence. Permet d’approcher n’importe quelle fonction analytique par un polynôme.
Équations différentielles ordinaires
Une équation différentielle ordinaire (EDO) est une équation reliant une fonction inconnue y(x) et ses dérivées. Elles modélisent la plupart des phénomènes physiques, biologiques et économiques.
1er ordre séparable
Exemple : y′ = ky (croissance exponentielle). Solution : y(t) = y0 ekt. Modèle du désintégration radioactive, de la croissance bactérienne.
1er ordre linéaire
Résolution par facteur intégrant μ(x) = e∫P(x)dx. Solution : y = (∫ μQ dx + C) / μ.
2e ordre à coefficients constants
Solution = générale (homogène) + particulière. L’homogène se résout par l’équation caractéristique ar²+br+c=0 : racines réelles, complexes ou double.
Applications physiques majeures
- Newton (F=ma) : m x″ = −kx (oscillateur harmonique)
- Circuit RC : RC dU/dt + U = E(t)
- Chaleur (Fourier) : ∂T/∂t = k ΔT
- Logistique : dP/dt = rP(1−P/K)
- Système proie-prédateur (Lotka-Volterra)