Intégrales doubles et triples en L2 de maths : exercices corrigés

Intégrales doubles et triples – Exercices corrigés en Licence 2 sur Maths-pdf.fr Couverture : Cahier d'exercices corrigés de maths L2 en PDF Télécharger en PDF Le livre d'exercices corrigés en L2 PDF à imprimer Voir le livre ›


Ces exercices d’intégrales triples L2 et doubles sont rangés en trois paliers. Les premiers énoncés entraînent les gestes de base : appliquer Fubini sur un rectangle, décrire un domaine entre deux courbes, passer en polaires sur un disque, calculer une longueur.

Le deuxième palier travaille les changements de variables, les volumes en coordonnées cylindriques ou sphériques, et les formes exactes. Les derniers exercices demandent davantage de recul : jacobien non affine, aire d’une boucle par Green-Riemann, forme fermée non exacte, et un problème complet sur un verre conique.

Pour chaque énoncé, commencez par dessiner le domaine : c’est souvent là que se joue la moitié de la solution.

Pour démarrer

Exercice 1 – Trois intégrales sur des rectangles

Calculer les intégrales doubles suivantes.

  1. \(I_1=\iint_{[0,1]\times[0,\pi/2]}x^2\cos y\,dx\,dy\).
  2. \(I_2=\iint_{[1,2]\times[0,1]}\dfrac{y}{x}\,dx\,dy\).
  3. \(I_3=\iint_{[0,1]\times[0,1]}(x+y)^2\,dx\,dy\).

Exercice 2 – Le bon ordre d’intégration

On considère \(I=\iint_R y\sin(xy)\,dx\,dy\) avec \(R=[0,\pi]\times[0,1]\).

  1. Expliquer pourquoi il est plus simple d’intégrer d’abord par rapport à \(x\).
  2. Calculer \(I\).

Exercice 3 – Aire entre une parabole et une droite

Soit \(\Delta\) le domaine borné compris entre la parabole \(y=x^2-2x\) et la droite \(y=x\), représenté sur la figure.

Domaine borné compris entre la parabole d'équation y égale x carré moins 2x et la droite y égale x
  1. Déterminer les points d’intersection des deux courbes et décrire \(\Delta\) par des inégalités.
  2. Ensuite, calculer l’aire de \(\Delta\).
  3. Enfin, calculer \(\iint_\Delta x\,dx\,dy\), puis l’abscisse du centre de gravité de \(\Delta\).

Exercice 4 – Un triangle dans les deux ordres

Soit \(T\) le triangle de sommets \((0,0)\), \((2,0)\) et \((2,1)\).

  1. Décrire \(T\) par une lecture verticale, puis par une lecture horizontale.
  2. Calculer \(\iint_T xy\,dx\,dy\) avec chacune des deux descriptions, et vérifier que les résultats coïncident.

Exercice 5 – Deux intégrales sur un disque

Soit \(B\) le disque fermé de centre \(O\) et de rayon 2.

  1. Calculer \(\iint_B\sqrt{x^2+y^2}\,dx\,dy\) en passant en coordonnées polaires.
  2. Ensuite, calculer \(\iint_Bx^2\,dx\,dy\). Par symétrie, en déduire sans calcul \(\iint_B(x^2+y^2)\,dx\,dy\).

Exercice 6 – Longueurs de deux courbes

  1. Calculer la longueur de la portion de la courbe \(y=\cosh x\) située au-dessus de \([-\ln 3,\ln 3]\).
  2. De même, calculer la longueur de l’arc \(t\mapsto(3t^2,\,2t^3)\) pour \(t\in[0,\sqrt{3}]\).

Exercice 7 – Une forme le long de deux chemins

Soit \(\omega=xy\,dx+(x-y)\,dy\), et les points \(O=(0,0)\) et \(A=(1,2)\).

  1. Calculer \(\int\omega\) le long du segment de \(O\) à \(A\).
  2. Ensuite, calculer \(\int\omega\) le long de l’arc de parabole \(y=2x^2\), de \(O\) à \(A\).
  3. La forme \(\omega\) est-elle exacte sur \(\mathbb{R}^2\) ? Justifier de deux façons.

Pour s’entraîner

Exercice 8 – Échanger l’ordre pour conclure

On pose \(K=\displaystyle\int_0^9\left(\int_{\sqrt{y}}^{3}\sin(x^3)\,dx\right)dy\).

  1. Expliquer pourquoi l’intégrale intérieure ne peut pas être calculée à l’aide d’une primitive usuelle.
  2. Dessiner le domaine d’intégration et le décrire par une lecture verticale.
  3. En déduire la valeur de \(K\).

Exercice 9 – Un parallélogramme et un changement affine

Soit \(P\) le domaine défini par \(1\le x+y\le 3\) et \(-1\le x-y\le 1\).

  1. Montrer que le changement \(u=x+y\), \(v=x-y\) envoie \(P\) sur un rectangle, et calculer l’aire de \(P\).
  2. Ensuite, calculer \(\iint_P(x+y)\,e^{x-y}\,dx\,dy\).

Exercice 10 – Logarithme sur une couronne

Soit \(C\) la couronne \(\{1\le x^2+y^2\le e^2\}\). Calculer \(\iint_C\ln(x^2+y^2)\,dx\,dy\).

Exercice 11 – Un disque qui passe par l’origine

Soit \(D=\{(x,y) : x^2+y^2\le 2x\}\).

  1. Reconnaître \(D\), puis le décrire en coordonnées polaires.
  2. Puis calculer \(\iint_Dx\,dx\,dy\) et interpréter le résultat à l’aide du centre de \(D\).
  3. Enfin, calculer \(\iint_D\sqrt{x^2+y^2}\,dx\,dy\).

Exercice 12 – Volume sous une surface

Le solide considéré est situé au-dessus d’un rectangle. Ainsi, calculer le volume du solide \(\{0\le x\le 1,\ 0\le y\le 2,\ 0\le z\le x^2+xy\}\).

Exercice 13 – Les trois jacobiens usuels

  1. D’abord, calculer le jacobien de \((r,\theta)\mapsto(r\cos\theta,\,r\sin\theta)\).
  2. En déduire celui des coordonnées cylindriques \((r,\theta,z)\mapsto(r\cos\theta,\,r\sin\theta,\,z)\).
  3. Ensuite, calculer le jacobien de \((\rho,\theta,\varphi)\mapsto(\rho\sin\varphi\cos\theta,\,\rho\sin\varphi\sin\theta,\,\rho\cos\varphi)\), en développant selon la dernière ligne.
  4. Enfin, application : calculer le volume de la demi-coquille \(\{1\le x^2+y^2+z^2\le 4,\ z\ge 0\}\).

Exercice 14 – Deux volumes en cylindriques

  1. Calculer le volume du solide situé dans le cylindre \(x^2+y^2\le 1\), entre les plans \(z=0\) et \(z=3+x\).
  2. Ensuite, calculer le volume du solide compris entre le paraboloïde \(z=x^2+y^2\) et le plan \(z=2y\). On pourra commencer par déterminer la projection du solide sur le plan \(xOy\).

Exercice 15 – Tétraèdre et tranches horizontales

Soit \(T=\{x\ge 0,\ y\ge 0,\ z\ge 0,\ x+\frac{y}{2}+\frac{z}{3}\le 1\}\).

  1. Décrire la section horizontale \(S_z\) de \(T\) à la hauteur \(z\in[0,3]\) et calculer son aire.
  2. En déduire le volume de \(T\).
  3. Enfin, calculer \(\iiint_Tz\,dx\,dy\,dz\), puis la cote du centre de gravité de \(T\).

Exercice 16 – Masse d’une boule de densité variable

Une boule \(B\) de centre \(O\) et de rayon 2 a pour masse volumique \(\mu(x,y,z)=1+z^2\).

  1. D’abord, calculer \(\iiint_Bz^2\,dx\,dy\,dz\) en coordonnées sphériques.
  2. Retrouver ce résultat par un argument de symétrie, en calculant d’abord \(\iiint_B(x^2+y^2+z^2)\).
  3. En déduire la masse de la boule.

Exercice 17 – Potentiel d’une forme exacte

Soit \(\omega=(2xy^3+e^x)\,dx+(3x^2y^2-1)\,dy\) sur \(\mathbb{R}^2\).

  1. Montrer que \(\omega\) est fermée. Pourquoi est-elle exacte ?
  2. Trouver une fonction \(f\) telle que \(df=\omega\).
  3. Ensuite, calculer \(\int_\gamma\omega\) où \(\gamma\) est l’arc \(t\mapsto(\sin t,\,2t/\pi)\), \(t\in[0,\pi/2]\).
  4. Que vaut l’intégrale de \(\omega\) sur une courbe fermée quelconque ?

Exercice 18 – Vérifier Green-Riemann sur un quart de disque

Soit \(Q=\{x\ge 0,\ y\ge 0,\ x^2+y^2\le 4\}\) et \(\omega=-y^2\,dx+xy\,dy\).

  1. Calculer \(\iint_Q\left(\frac{\partial(xy)}{\partial x}-\frac{\partial(-y^2)}{\partial y}\right)dx\,dy\).
  2. Décomposer le bord de \(Q\), parcouru dans le sens direct, en trois morceaux, et calculer l’intégrale de \(\omega\) sur chacun.
  3. Enfin, vérifier la formule de Green-Riemann.

Pour approfondir

Exercice 19 – Un changement de variables hyperbolique

Soit \(D=\{(x,y) : x>0,\ 1\le xy\le 4,\ x\le y\le 3x\}\).

  1. On pose \(u=xy\) et \(v=\frac{y}{x}\). Montrer que \((x,y)\mapsto(u,v)\) est une bijection de \(D\) sur \([1,4]\times[1,3]\), et exprimer \(x\) et \(y\) en fonction de \(u\) et \(v\).
  2. Calculer le jacobien \(\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}\) et en déduire \(dx\,dy\) en fonction de \(du\,dv\).
  3. Enfin, calculer l’aire de \(D\), puis \(\iint_Dxy\,dx\,dy\).

Exercice 20 – Aire d’une boucle par Green-Riemann

On considère la courbe \(\Gamma\) paramétrée par \(x(t)=t^2-1\), \(y(t)=t^3-t\), \(t\in\mathbb{R}\). Elle présente une boucle, représentée sur la figure.

Courbe cubique paramétrée présentant une boucle fermée à gauche de son point double à l'origine
  1. Déterminer les valeurs de \(t\) pour lesquelles \(\Gamma\) passe par l’origine. En déduire que la boucle correspond à \(t\in[-1,1]\).
  2. Montrer que \(x\,y^{\prime}-y\,x^{\prime}=(t^2-1)^2\), et préciser le sens de parcours de la boucle.
  3. Par conséquent, calculer l’aire de la boucle grâce à la formule de Green-Riemann.
  4. Vérifier le résultat par un calcul direct, sachant que la boucle a pour équation cartésienne \(y^2=x^2(x+1)\) avec \(-1\le x\le 0\).

Exercice 21 – Une forme fermée qui n’est pas exacte

Sur \(U=\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}\), on considère \(\omega=\dfrac{x\,dy-y\,dx}{x^2+y^2}\).

  1. Montrer que \(\omega\) est fermée sur \(U\).
  2. Pour \(a>0\), intégrer \(\omega\) le long de \(t\mapsto(a\cos t,\,a\sin t)\), \(t\in[0,2\pi]\). Conclure que \(\omega\) n’est pas exacte sur \(U\).
  3. Expliquer pourquoi ce résultat ne contredit pas la formule de Green-Riemann.
  4. Soit \(E\) l’ellipse \(\frac{x^2}{4}+y^2=1\). En appliquant Green-Riemann au domaine compris entre \(E\) et le cercle de rayon \(\frac{1}{2}\), montrer que \(\oint_E\omega=2\pi\).
  5. En paramétrant \(E\), en déduire la valeur de \(\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac{dt}{4\cos^2t+\sin^2t}\).

Exercice 22 – Problème – Un verre conique

L’intérieur d’un verre est modélisé par le solide \(V=\{(x,y,z) : 2\sqrt{x^2+y^2}\le z\le 4\}\), l’unité étant le centimètre.

  1. D’abord, décrire \(V\) en coordonnées cylindriques et calculer son volume.
  2. On verse du liquide jusqu’à la hauteur \(h\in[0,4]\). Montrer que le volume de liquide vaut \(\frac{\pi h^3}{12}\).
  3. Déterminer la hauteur \(h\) pour laquelle le verre est rempli à moitié de son volume. Commenter.
  4. Ensuite, calculer \(\iiint_Vz\,dx\,dy\,dz\) et en déduire la cote du centre de masse du liquide quand le verre est plein.
  5. Décrire \(V\) en coordonnées sphériques, avec \(\alpha\in\left]0,\frac{\pi}{2}\right[\) tel que \(\tan\alpha=\frac{1}{2}\). Retrouver le volume de \(V\) par ce second calcul.

Pour aller plus loin

Voter.. post
Télécharger puis imprimer cette fiche en PDF.

Télécharger ou imprimer cette fiche «intégrales doubles et triples en L2 de maths : exercices corrigés» au format PDF afin de pouvoir travailler en totale autonomie.


Nombre de fichiers PDF téléchargés.  Maths PDF c'est 16 224 433 cours et exercices de maths téléchargés en PDF et 4 250 exercices.

Télécharger les manuels scolaires de maths en PDF du CP à la Terminale