Primitives de fractions rationnelles : corrigé du contrôle de maths en MPSI

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Voici le corrigé du contrôle de maths en MPSI sur le thème « primitives de fractions rationnelles », question par question.

Cette correction suit pour chaque fraction le même plan : forme de la décomposition, calcul des coefficients, contrôle numérique, puis primitive sur un intervalle précisé. En effet, une primitive de fraction rationnelle n’a de sens que sur un intervalle sans pôle, et le corrigé le rappelle à chaque fois. Pour les trinômes irréductibles, il détaille aussi la forme canonique qui conduit à l’arctangente. L’exercice sur les racines de l’unité démontre ensuite la formule de la dérivée logarithmique avant de l’appliquer. Les changements de variable sont justifiés comme sur une copie de concours, avec le difféomorphisme utilisé et les nouvelles bornes. Le problème montre enfin comment une seule décomposition sert trois fois. Chaque exercice se conclut par un barème et un piège classique.

L’énoncé complet se trouve ici : Primitives de fractions rationnelles : contrôle de maths en MPSI.

Barème du contrôle corrigé : primitives de fractions rationnelles

Exercice Points
1. Décompositions en éléments simples sur R 4 points
2. Trinômes sans racine réelle 4 points
3. Racines de l’unité et dérivée logarithmique 4 points
4. Changements de variable trigonométriques 3 points
5. Problème : une fraction, une somme et une intégrale 5 points
Total 20 points

Le corrigé détaillé : primitives de fractions rationnelles

Exercice 1 – Décompositions en éléments simples sur R (4 points)

  1. Comme \(\deg\left(x^2 + 2\right) < \deg\left(x(x – 1)(x + 2)\right)\), aucune partie polynomiale n’apparaît. Les pôles \(0\), \(1\) et \(-2\) sont simples, d’où une écriture \(R_1(x) = \frac{\alpha}{x} + \frac{\beta}{x – 1} + \frac{\gamma}{x + 2}\). En multipliant par \(x\) puis en évaluant en 0, on trouve \(\alpha = \frac{2}{(-1) \times 2} = -1\). De même, \(\beta = \frac{3}{1 \times 3} = 1\) et \(\gamma = \frac{6}{(-2) \times (-3)} = 1\). Contrôle en \(x = 2\) : \(R_1(2) = \frac{6}{8} = \frac{3}{4}\) et \(-\frac{1}{2} + 1 + \frac{1}{4} = \frac{3}{4}\). Ainsi \(R_1(x) = -\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{x – 1} + \dfrac{1}{x + 2}\).
  2. Question 2 : un pôle double

    On multiplie d’abord par \((x – 1)^2\) et l’on évalue en 1 : \(b = \frac{3}{2}\). Ensuite, la multiplication par \(x + 1\) puis l’évaluation en \(-1\) donnent \(c = \frac{-1}{(-2)^2} = -\frac{1}{4}\). Enfin, \(x\,R_2(x)\) tend vers 0 en \(+\infty\), alors que le membre de droite multiplié par \(x\) tend vers \(a + c\) : par conséquent \(a = -c = \frac{1}{4}\). Contrôle en \(x = 0\) : \(R_2(0) = 1\) et \(-\frac{1}{4} + \frac{3}{2} – \frac{1}{4} = 1\).

    Sur \(\left]1\,;+\infty\right[\), les quantités \(x – 1\) et \(x + 1\) sont positives, et une primitive de \(\frac{1}{(x – 1)^2}\) est \(-\frac{1}{x – 1}\). On obtient \(a = \frac{1}{4}\), \(b = \frac{3}{2}\), \(c = -\frac{1}{4}\), et une primitive de \(R_2\) est \(x \mapsto \frac{1}{4}\ln\left(\dfrac{x – 1}{x + 1}\right) – \dfrac{3}{2(x – 1)}\).

  3. Sur \([2\,;3]\), aucun pôle n’intervient, et une primitive de \(R_1\) est \(x \mapsto -\ln x + \ln(x – 1) + \ln(x + 2)\). Elle vaut \(\ln\frac{10}{3}\) en 3 et \(-\ln 2 + \ln 4 = \ln 2\) en 2. La différence donne \(\ln\frac{10}{3} – \ln 2 = \ln\frac{10}{6}\). Donc \(\displaystyle\int_2^3 R_1(x)\,\mathrm{d}x = \ln\frac{5}{3}\).

Barème : 1) forme de la décomposition (0,5) et trois coefficients (1) ; 2) coefficients \(b\) et \(c\) (0,5), coefficient \(a\) (0,5), primitive (0,5) ; 3) primitive évaluée (0,5) et résultat (0,5).

Piège classique : pour un pôle double, oublier le terme \(\frac{a}{x – 1}\). Les deux puissances de \(x – 1\) doivent figurer dans la décomposition.

Exercice 2 – Trinômes sans racine réelle (4 points)

  1. On a \(x^2 + 2x + 5 = (x + 1)^2 + 4\), qui ne s’annule jamais. Ensuite, \(\frac{1}{(x + 1)^2 + 4} = \frac{1}{4} \times \frac{1}{\left(\frac{x + 1}{2}\right)^2 + 1}\), et la dérivée de \(x \mapsto \arctan\frac{x + 1}{2}\) vaut \(\frac{1}{2} \times \frac{1}{\left(\frac{x + 1}{2}\right)^2 + 1}\). Une primitive sur \(\mathbb{R}\) est donc \(x \mapsto \frac{1}{2}\arctan\frac{x + 1}{2}\). Il vient alors \(\displaystyle\int_{-1}^{1} \frac{\mathrm{d}x}{x^2 + 2x + 5} = \frac{1}{2}\left(\arctan 1 – \arctan 0\right)\). Cette intégrale vaut \(\dfrac{\pi}{8}\).
  2. Le numérateur se scinde en \(2x + 3 = (2x + 2) + 1\), où \(2x + 2\) est exactement la dérivée de \(x^2 + 2x + 5\). Comme \(x^2 + 2x + 5 > 0\), une primitive de \(\frac{2x + 2}{x^2 + 2x + 5}\) est \(\ln\left(x^2 + 2x + 5\right)\), sans valeur absolue. Une primitive sur \(\mathbb{R}\) est \(x \mapsto \ln\left(x^2 + 2x + 5\right) + \dfrac{1}{2}\arctan\dfrac{x + 1}{2}\).
  3. Question 3 : un facteur irréductible de degré 2

    Le trinôme \(x^2 + 1\) est irréductible sur \(\mathbb{R}\), et le degré du numérateur est inférieur à 3. On cherche donc \(S(x) = \frac{\lambda}{x – 1} + \frac{\mu x + \nu}{x^2 + 1}\). Le produit \((x – 1)S(x)\), pris en \(x = 1\), fournit \(\lambda = \frac{4}{2} = 2\). Ensuite, l’identité \(x^2 + 3x = 2(x^2 + 1) + (\mu x + \nu)(x – 1)\) donne, sur les termes en \(x^2\), \(1 = 2 + \mu\), donc \(\mu = -1\). Le terme constant donne \(0 = 2 – \nu\), donc \(\nu = 2\). Contrôle sur le terme en \(x\) : \(\nu – \mu = 3\), ce qui convient.

    Ainsi \(S(x) = \frac{2}{x – 1} – \frac{1}{2} \times \frac{2x}{x^2 + 1} + \frac{2}{x^2 + 1}\). On a \(S(x) = \dfrac{2}{x – 1} + \dfrac{2 – x}{x^2 + 1}\), et une primitive sur \(\left]1\,;+\infty\right[\) est \(x \mapsto 2\ln(x – 1) – \dfrac{1}{2}\ln\left(x^2 + 1\right) + 2\arctan x\).

Barème : 1) forme canonique (0,5), primitive (0,5), intégrale (0,5) ; 2) 1 point ; 3) décomposition (1) et primitive (0,5).

Piège classique : écrire \(\arctan(x + 1)\) au lieu de \(\frac{1}{2}\arctan\frac{x + 1}{2}\). Il faut d’abord factoriser la constante 4 pour retrouver la forme \(u^2 + 1\).

Exercice 3 – Racines de l’unité et dérivée logarithmique (4 points)

  1. Écrivons \(B = (X – a)Q\) avec \(Q(a) \neq 0\), puis \(\frac{A}{B} = \frac{\lambda}{X – a} + G\), où \(G\) n’a pas de pôle en \(a\). En multipliant par \(X – a\), on obtient \(\frac{A}{Q} = \lambda + (X – a)G\) ; l’évaluation en \(a\) donne alors \(\lambda = \frac{A(a)}{Q(a)}\). Or \(B^{\prime} = Q + (X – a)Q^{\prime}\), donc \(B^{\prime}(a) = Q(a)\), ce qui justifie la formule.

    Les racines de \(X^3 – 1\) sont \(1\), \(j\) et \(j^2\), toutes simples. Pour chacune, le coefficient vaut \(\frac{1}{3a^2} = \frac{a}{3a^3} = \frac{a}{3}\), car \(a^3 = 1\). Ainsi \(\dfrac{1}{X^3 – 1} = \dfrac{1}{3}\left(\dfrac{1}{X – 1} + \dfrac{j}{X – j} + \dfrac{j^2}{X – j^2}\right)\).

  2. Notons \(Q_k = (X – a_k)^{m_k}\), de sorte que \(P = c\,Q_1 \cdots Q_r\). La dérivée d’un produit de \(r\) facteurs donne \(P^{\prime} = c \displaystyle\sum_{k=1}^{r} Q_k^{\prime} \prod_{l \neq k} Q_l\), avec \(Q_k^{\prime} = m_k (X – a_k)^{m_k – 1}\). En divisant par \(P\), chaque terme se simplifie en \(\frac{Q_k^{\prime}}{Q_k} = \frac{m_k}{X – a_k}\). On obtient donc \(\dfrac{P^{\prime}}{P} = \displaystyle\sum_{k=1}^{r} \frac{m_k}{X – a_k}\).
  3. Questions 3 et 4 : une somme sur les racines, puis le retour au réel

    Le polynôme \(X^n – 1\) a \(n\) racines distinctes \(\omega_0, \ldots, \omega_{n-1}\), toutes simples. La question 2 donne alors \(\frac{n X^{n-1}}{X^n – 1} = \displaystyle\sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{X – \omega_k}\). Comme \(2\) n’est pas une racine de l’unité, on peut évaluer cette égalité de fractions en 2. Il vient \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1} \frac{1}{2 – \omega_k} = \frac{n\,2^{n-1}}{2^n – 1}\). Pour \(n = 2\), les racines sont \(1\) et \(-1\) : la somme vaut \(1 + \frac{1}{3} = \frac{4}{3}\), et la formule donne bien \(\frac{2 \times 2}{3} = \frac{4}{3}\).

  4. On a \(\overline{j} = j^2\), \(j + \overline{j} = -1\) et \(j\,\overline{j} = 1\). Ensuite, \(\frac{j}{x – j} + \frac{\overline{j}}{x – \overline{j}} = \frac{(j + \overline{j})x – 2j\overline{j}}{x^2 – (j + \overline{j})x + j\overline{j}} = \frac{-x – 2}{x^2 + x + 1}\). Contrôle en \(x = 0\) : \(\frac{1}{3}\left(-1 – 2\right) = -1\), ce qui convient. Sur \(\mathbb{R}\), on obtient \(\dfrac{1}{x^3 – 1} = \dfrac{1}{3(x – 1)} – \dfrac{x + 2}{3\left(x^2 + x + 1\right)}\).

Barème : 1) justification du coefficient (0,5) et décomposition (0,5) ; 2) dérivée du produit (0,5) et simplification (0,5) ; 3) application à \(X^n – 1\) (0,5), évaluation légitime en 2 et vérification (0,5) ; 4) regroupement (0,5) et résultat (0,5).

Piège classique : évaluer une égalité de fractions en un pôle. Ici, le point 2 convient précisément parce qu’il n’est pas sur le cercle unité.

Exercice 4 – Changements de variable trigonométriques (3 points)

  1. Considérons \(\theta : t \mapsto 2\arctan t\) : elle est \(C^1\) sur \([0\,;1]\), strictement croissante, et elle envoie \([0\,;1]\) sur \(\left[0\,;\frac{\pi}{2}\right]\). On peut donc poser \(x = 2\arctan t\), c’est-à-dire \(t = \tan\frac{x}{2}\). Alors \(\mathrm{d}x = \frac{2\,\mathrm{d}t}{1 + t^2}\). De plus, \(\cos x = 2\cos^2\frac{x}{2} – 1\) et \(\cos^2\frac{x}{2} = \frac{1}{1 + t^2}\). On obtient \(\cos x = \dfrac{1 – t^2}{1 + t^2}\) et \(\mathrm{d}x = \dfrac{2\,\mathrm{d}t}{1 + t^2}\).
  2. On a \(2 + \cos x = \frac{2 + 2t^2 + 1 – t^2}{1 + t^2} = \frac{3 + t^2}{1 + t^2}\). Par conséquent \(I = \displaystyle\int_0^1 \frac{2\,\mathrm{d}t}{3 + t^2} = \frac{2}{\sqrt{3}}\left[\arctan\frac{t}{\sqrt{3}}\right]_0^1 = \frac{2}{\sqrt{3}} \times \frac{\pi}{6}\). Ainsi \(I = \dfrac{\pi}{3\sqrt{3}} = \dfrac{\pi\sqrt{3}}{9} \approx 0{,}60\). Ce résultat est cohérent avec la figure, car l’intégrande reste entre \(\frac{1}{3}\) et \(\frac{1}{2}\) sur un intervalle de longueur environ \(1{,}57\).
  3. La fonction \(t \mapsto \arctan t\) est \(C^1\) et bijective de \([0\,;1]\) sur \(\left[0\,;\frac{\pi}{4}\right]\) ; on pose donc \(x = \arctan t\), d’où \(\mathrm{d}x = \frac{\mathrm{d}t}{1 + t^2}\). Ensuite \(\sin^2 x = \frac{\tan^2 x}{1 + \tan^2 x} = \frac{t^2}{1 + t^2}\), donc \(1 + \sin^2 x = \frac{1 + 2t^2}{1 + t^2}\). Il reste \(K = \displaystyle\int_0^1 \frac{\mathrm{d}t}{1 + 2t^2} = \frac{1}{\sqrt{2}}\left[\arctan\left(\sqrt{2}\,t\right)\right]_0^1\). Finalement \(K = \dfrac{\arctan\sqrt{2}}{\sqrt{2}}\).

Barème : 1) justification du changement de variable (0,5), expressions de \(\cos x\) et de \(\mathrm{d}x\) (0,5) ; 2) fraction en \(t\) (0,5) et valeur (0,5) ; 3) changement justifié (0,5) et valeur (0,5).

Piège classique : oublier de transformer les bornes. Avec \(t = \tan\frac{x}{2}\), la borne \(\frac{\pi}{2}\) devient 1, et non \(\frac{\pi}{2}\).

Exercice 5 – Problème : une fraction, une somme et une intégrale (5 points)

  1. Partie A : la décomposition

    Les trois pôles \(0\), \(-1\) et \(-2\) sont simples, et le numérateur est constant. Par multiplication puis évaluation, les coefficients valent \(\frac{1}{1 \times 2} = \frac{1}{2}\) en 0, \(\frac{1}{(-1) \times 1} = -1\) en \(-1\), et \(\frac{1}{(-2) \times (-1)} = \frac{1}{2}\) en \(-2\). Contrôle en \(x = 1\) : \(\frac{1}{2} – \frac{1}{2} + \frac{1}{6} = \frac{1}{6} = f(1)\). Ainsi \(f(x) = \dfrac{1}{2x} – \dfrac{1}{x + 1} + \dfrac{1}{2(x + 2)}\).

  2. Partie B : primitive et aire

    Sur \(\left]0\,;+\infty\right[\), les réels \(x\), \(x + 1\) et \(x + 2\) sont positifs. Une primitive de \(f\) est donc \(\frac{1}{2}\ln x – \ln(x + 1) + \frac{1}{2}\ln(x + 2)\), qui s’écrit aussi \(\frac{1}{2}\ln\frac{x(x + 2)}{(x + 1)^2}\). Elle vaut \(\frac{1}{2}\ln\frac{8}{9}\) en 2 et \(\frac{1}{2}\ln\frac{3}{4}\) en 1. Le quotient \(\frac{8}{9} \times \frac{4}{3}\) vaut \(\frac{32}{27}\). L’aire hachurée vaut \(\dfrac{1}{2}\ln\dfrac{32}{27} \approx 0{,}085\). Cette valeur est plausible, puisque \(f\) décroît de \(\frac{1}{6}\) à \(\frac{1}{24}\) sur un intervalle de longueur 1.

  3. Partie C : une somme télescopique

    D’après la partie A, \(f(k) = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{k} – \frac{1}{k + 1}\right) – \frac{1}{2}\left(\frac{1}{k + 1} – \frac{1}{k + 2}\right)\). Posons donc \(v_k = \frac{1}{2k(k + 1)}\) : on a alors \(f(k) = v_k – v_{k+1}\). Par télescopage, \(S_N = v_1 – v_{N+1}\), avec \(v_1 = \frac{1}{4}\). En réduisant au même dénominateur, \(S_N = \frac{(N + 1)(N + 2) – 2}{4(N + 1)(N + 2)} = \frac{N(N + 3)}{4(N + 1)(N + 2)}\). Contrôle pour \(N = 1\) : \(\frac{4}{24} = \frac{1}{6} = f(1)\). Ainsi \(S_N = \dfrac{N(N + 3)}{4(N + 1)(N + 2)}\), qui tend vers \(\dfrac{1}{4}\) car \(v_{N+1}\) tend vers 0.

  4. Partie D : un changement de variable exponentiel

    La fonction \(u \mapsto \ln u\) est \(C^1\) et bijective de \([1\,;2]\) sur \([0\,;\ln 2]\). On pose alors \(x = \ln u\), donc \(\mathrm{d}x = \frac{\mathrm{d}u}{u}\), et les bornes 0 et \(\ln 2\) deviennent 1 et 2. L’intégrale devient \(\displaystyle\int_1^2 \frac{\mathrm{d}u}{u(u + 1)(u + 2)} = \int_1^2 f(u)\,\mathrm{d}u\). Elle est donc égale à l’intégrale de la partie B, soit \(\dfrac{1}{2}\ln\dfrac{32}{27}\).

Barème : A) 1 point ; B) primitive vérifiée (0,75) et valeur (0,75) ; C) écriture télescopique (0,75), somme et limite (0,75) ; D) changement justifié (0,5) et conclusion (0,5).

Piège classique : en partie D, remplacer \(\mathrm{d}x\) par \(\mathrm{d}u\). Le facteur \(\frac{1}{u}\) est justement celui qui fait apparaître \(f\).

À retenir de ce contrôle

  • Pour un pôle simple a d’une fraction A/B, le coefficient de 1/(X − a) vaut A(a)/B'(a), ce qui évite de développer le dénominateur.
  • Une primitive de 1/((x − p)² + q²) est (1/q) arctan((x − p)/q) ; on isole d’abord la dérivée du trinôme pour la partie en logarithme.
  • Si P est scindé de racines a_k de multiplicités m_k, alors P’/P est la somme des m_k/(X − a_k) : c’est la dérivée logarithmique.
  • Poser t = tan(x/2) transforme toute fraction en sin x et cos x en fraction de t ; si l’intégrande ne change pas quand x devient x + π, t = tan x suffit.
  • Une primitive de fraction rationnelle se donne toujours sur un intervalle ne contenant aucun pôle, avec des logarithmes de valeurs absolues.

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Consolider primitives de fractions rationnelles après ce corrigé

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