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Analyse · 4 affiches · formule n° 44

Le théorème fondamental de l’analyse

Pour calculer l’aire sous la courbe d’une fonction continue f entre a et b, il suffit de connaître une primitive F de f : l’intégrale vaut F(b) − F(a). Dériver et intégrer sont deux opérations inverses l’une de l’autre.

Voir les 4 affiches 10 contrôles par le calcul

Pour ff continue sur [a,b][a, b] et FF une primitive de ff (F′=fF' = f). Dessin : l’aire sous y=sin⁡xy = \sin x de 00 à π\pi, approchée par 4, 8 puis 32 rectangles (hauteur prise au milieu) ; leur aire tend vers F(π)−F(0)=2F(\pi) - F(0) = 2 avec F(x)=−cos⁡xF(x) = -\cos x.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Soit ff une fonction continue sur un intervalle [a,b][a, b], et FF une primitive de ff sur cet intervalle, c’est-à-dire une fonction dérivable telle que F′(x)=f(x)F'(x) = f(x) pour tout xx de [a,b][a, b]. Alors :

∫abf(x)dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x = F(b) - F(a)
  • ∫abf(x)dx\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x est l’intégrale de ff entre aa et bb. Pour une fonction positive, c’est l’aire comprise entre la courbe, l’axe des abscisses et les droites verticales x=ax = a et x=bx = b ; les parties où ff est négative comptent négativement.
  • Le signe ∫\int est un S allongé, pour « somme », et dx\mathrm{d}x rappelle la largeur infiniment petite des tranches que l’on additionne.
  • FF est une primitive de ff : sa dérivée est ff. Une fonction a une infinité de primitives, qui diffèrent d’une constante, et la différence F(b)−F(a)F(b) - F(a) ne dépend pas de celle que l’on choisit.
  • On note souvent F(b)−F(a)=[F(x)]abF(b) - F(a) = \big[F(x)\big]_a^b.

Le théorème a une seconde partie, qui dit pourquoi les primitives existent : si ff est continue sur [a,b][a, b], la fonction

G(x)=∫axf(t)dtG(x) = \int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t

(l’aire accumulée depuis aa) est dérivable et G′(x)=f(x)G'(x) = f(x). Autrement dit, toute fonction continue a une primitive, et la dérivée de l’aire est la hauteur de la courbe.

La continuité compte : pour une fonction « en marche d’escalier », qui vaut 0 avant 0 et 1 après, l’aire accumulée GG a une pente 0 à gauche de 0 et une pente 1 à droite. Elle n’est pas dérivable en 0, et la fonction en marche n’a pas de primitive sur un intervalle contenant 0.

Un exemple

Calculons l’aire sous une arche de sinusoïde, de 00 à π\pi. Une primitive de sin\sin est F(x)=−cos⁡xF(x) = -\cos x, puisque la dérivée de −cos-\cos est sin\sin. Donc :

∫0πsin⁡xdx=−cos⁡π−(−cos⁡0)=−(−1)+1=2.\int_0^{\pi} \sin x\,\mathrm{d}x = -\cos \pi - (-\cos 0) = -(-1) + 1 = 2.

L’aire de l’arche vaut exactement 2.

On peut approcher cette même aire sans primitive, par des sommes de Riemann : on découpe [0,π][0, \pi] en nn bandes de même largeur πn\frac{\pi}{n} et l’on remplace chaque bande par un rectangle dont la hauteur est la valeur de sin\sin au milieu de la bande. La somme des aires des rectangles vaut environ :

  • 2,05232{,}0523 avec 4 rectangles ;
  • 2,01292{,}0129 avec 8 rectangles ;
  • 2,00082{,}0008 avec 32 rectangles ;
  • 2,00000082{,}0000008 avec 1 000 rectangles.

Elle tend vers 2, la valeur donnée par la primitive. Avec la hauteur prise au bord gauche de chaque bande, on obtient environ 1,89611{,}8961, 1,97421{,}9742 et 1,99831{,}9983 : les sommes montent vers la même limite.

Autre exemple : ∫02x2dx=233−033=83\int_0^2 x^2\,\mathrm{d}x = \frac{2^3}{3} - \frac{0^3}{3} = \frac{8}{3}, environ 2,66662{,}6666, avec la primitive F(x)=x33F(x) = \frac{x^3}{3}.

Pourquoi c’est vrai

La démonstration se fait en deux temps, et elle est accessible.

1. La dérivée de l’aire est la hauteur. Reprenons G(x)=∫axf(t)dtG(x) = \int_a^x f(t)\,\mathrm{d}t. Pour h>0h > 0 petit, G(x+h)−G(x)G(x + h) - G(x) est l’aire d’une bande étroite de largeur hh, entre xx et x+hx + h. Cette bande est comprise entre deux rectangles de largeur hh : l’un de hauteur mhm_h, le minimum de ff sur [x,x+h][x, x + h], l’autre de hauteur MhM_h, son maximum. Donc

mh≤G(x+h)−G(x)h≤Mh.m_h \leq \frac{G(x + h) - G(x)}{h} \leq M_h.

Comme ff est continue, mhm_h et MhM_h tendent tous deux vers f(x)f(x) quand hh tend vers 0. Le taux d’accroissement, coincé entre eux, tend aussi vers f(x)f(x) (le cas h<0h < 0 se traite de la même façon). Ainsi G′(x)=f(x)G'(x) = f(x) : GG est une primitive de ff.

2. Toutes les primitives donnent le même résultat. Si FF est une autre primitive, la fonction F−GF - G a une dérivée nulle sur l’intervalle ; elle est donc constante (c’est une conséquence du théorème des accroissements finis). Il existe un nombre CC tel que F(x)=G(x)+CF(x) = G(x) + C, d’où

F(b)−F(a)=G(b)−G(a)=∫abf(t)dt−0.F(b) - F(a) = G(b) - G(a) = \int_a^b f(t)\,\mathrm{d}t - 0.

C’est toute la formule. Pour l’arche de sinus, G(x)=∫0xsin⁡tdt=1−cos⁡xG(x) = \int_0^x \sin t\,\mathrm{d}t = 1 - \cos x : c’est la primitive −cos⁡x-\cos x décalée de la constante 1.

Un peu d’histoire

Calculer des aires et tracer des tangentes ont longtemps été deux problèmes séparés. Au XVIIe siècle, James Gregory publie une première forme du théorème, très géométrique, et Isaac Barrow en donne une démonstration plus générale. Son élève Isaac Newton, puis Gottfried Wilhelm Leibniz, en font le cœur du calcul infinitésimal ; les notations ∫\int et dx\mathrm{d}x viennent de Leibniz.

Au XIXe siècle, Augustin-Louis Cauchy puis Bernhard Riemann donnent une définition rigoureuse de l’intégrale, sans recours à l’intuition de l’aire ; les sommes de Riemann de l’exemple portent le nom du second.

Ce que montre l’affiche

Trois fois la même arche de y=sin⁡xy = \sin x, entre 00 et π\pi, remplie de rectangles dont la hauteur est prise au milieu de chaque bande : 4 rectangles en haut, 8 au milieu, 32 en bas. À côté de chaque arche, le programme écrit la somme des aires des rectangles, calculée et tronquée : S4≈2,052S_4 \approx 2{,}052, S8≈2,012S_8 \approx 2{,}012, S32≈2,000S_{32} \approx 2{,}000. Sous la formule, la ligne ∫0πsin⁡xdx=−cos⁡π+cos⁡0=2\int_0^{\pi} \sin x\,\mathrm{d}x = -\cos\pi + \cos 0 = 2 donne la limite exacte. L’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • sin sur [0, π] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 2.000000écarts 8.2e-3 ; 8.2e-5 ; 8.2e-7 ; 8.2e-9 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 1.6e-10
  • x² sur [0, 2] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 2.666667écarts 6.7e-3 ; 6.7e-5 ; 6.7e-7 ; 6.7e-9 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 4.0e-5
  • eˣ sur [0, 1] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 1.718282écarts 7.2e-4 ; 7.2e-6 ; 7.2e-8 ; 7.2e-10 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 8.6e-6
  • 1/x sur [1, e] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 1.000000écarts 1.1e-3 ; 1.1e-5 ; 1.1e-7 ; 1.1e-9 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 5.4e-6
  • cos sur [0, π/2] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 1.000000écarts 1.0e-3 ; 1.0e-5 ; 1.0e-7 ; 1.0e-9 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 7.9e-6
  • 1/(1 + x²) sur [0, 1] : sommes de Riemann (n = 10, 100, 1 000, 10 000) → F(b) − F(a) = 0.785398écarts 2.1e-4 ; 2.1e-6 ; 2.1e-8 ; 2.1e-10 ; rectangles à gauche (n = 100 000) 2.5e-6
  • dérivée numérique de x ↦ ∫ₐˣ f(t) dt = f(x) (6 fonctions, 3 points chacune)écart maximal 3.33e-7
  • contre-exemple : pour f discontinue (marche en 0), x ↦ ∫ f a une pente 1 à droite de 0 et 0 à gauchepentes 1.0000 et 0.0000
  • dessin : sommes de 4, 8, 32 rectangles = (π/n)/sin(π/2n), décroissantes vers 22.052344 ; 2.012909 ; 2.000803
  • valeur affichée : −cos π + cos 0 = 2

Sources

Questions fréquentes

Que dit le théorème fondamental de l’analyse ?

Si f est continue sur [a, b] et si F est une primitive de f, alors l’intégrale de f entre a et b vaut F(b) − F(a). Il dit aussi que la fonction x ↦ ∫ₐˣ f(t) dt est une primitive de f.

Quelle est la différence entre une intégrale et une primitive ?

Une intégrale entre deux bornes est un nombre, une aire comptée avec son signe. Une primitive est une fonction dont la dérivée est f. Le théorème fondamental permet de calculer le nombre à partir de la fonction.

Pourquoi la constante d’intégration disparaît-elle ?

Deux primitives diffèrent d’une constante C. Dans F(b) − F(a), cette constante apparaît deux fois et s’annule : le résultat ne dépend pas de la primitive choisie.

Combien vaut l’intégrale de sin x entre 0 et π ?

Elle vaut 2. Avec la primitive −cos x, on calcule −cos π + cos 0 = 1 + 1 = 2.

Qu’est-ce qu’une somme de Riemann ?

C’est une approximation de l’intégrale par des rectangles : on découpe l’intervalle en bandes et l’on additionne largeur × hauteur. Pour une fonction continue, ces sommes tendent vers l’intégrale quand les bandes deviennent de plus en plus fines.