Intégrale pour cette presque fin de semaine

Calculer $\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^{\frac{\pi}{2}}\frac{\sin (2\theta)\cos\theta\cos^2 \varphi}{\text{arctanh }\left(\sqrt{1-\cos^2 \theta\cos^2\varphi}\right)}d\theta d\varphi$

On a l'impression que cette intégrale est monstrueuse au premier regard. B-)-
(la présence d'un logarithme au dénominateur ne présage rien de bon, et pourtant...)

Réponses

  • C'est de la forme $\int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^{\frac{\pi}{2}} f(\cos x \cos y) \sin y \ dx \ dy$ donc égale à $\int_0^1 \text{arctanh}\left(\sqrt{1-y^2}\right)f(y)dy$ avec $f(y)=\frac{2y^2}{\text{arctanh}\left(\sqrt{1-y^2}\right)}$
    Le 😄 Farceur


  • Gebrane: tu m'as démasqué. B-)
  • Bonjour, désolé si la question n'a pas lieu d'être mais je voudrais juste savoir si ce type d'intégrales est vu plutôt en Terminale en Spé Maths ou plutôt en MPSI/L1 ?
    Merci d'avance,
    Mohammed R.
  • Des intégrales doubles en terminale, celà paraît douteux. Quand à l'intérêt qu'elles présentent, il ne peut être que fonction du problème dans lequel elles apparaissent...
    A demon  wind propelled me east of the sun
  • Mohammed R: Ce n'est pas au programme de la terminale.

    Et, même en terminale, on ne manipule pas des intégrales dont l'une des bornes est une variable.

    Par exemple, saurais-tu calculer $\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin x\left(\int_0^x \sin t \,dt\right)dx$?

    Rien que comprendre ce que cela signifie est déjà de la gymnastique intellectuelle. B-)-

    Edit: j'ai changé les bornes pour que le résultat soit une valeur plus "sympathique".

    PS:
    Une indication. Pour rendre moins effrayante cette notation on pose pour $\displaystyle x\in\left[0;\frac{\pi}{2}\right], f(x)=\int_0^x \sin t \,dt$ ce qui fait que l'intégrale ci-dessus peut se récrire comme : $\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}}f(x)\sin x dx$

    PS2:
    En réalité, on pourrait faire ce calcul en remplaçant la fonction sinus par n'importe quelle fonction $h$ continue sur l'intervalle $\left[0;\frac{\pi}{2}\right]$ mais je ne voulais pas qu'il y ait trop d'abstraction d'un coup.
    On a une formule simple pour $\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}}h(x)\left(\int_0^x h(t) \,dt\right)dx$
  • @gilles benson :
    D'accord, je te remercie

    @Fin de partie :
    J'ai réussi à résoudre l'intégrale, néanmoins cela m'a pris plus d'une demi-heure et c'était très plaisant ma foi, même si j'ai dû m'y prendre à 4 fois pour ne pas faire d'erreurs bêtes (de signe, ou alors j'oublie un terme à la fin).
    En se basant sur le fait que $f(x) = 1 - \cos(x)$, puis en posant $ u = \sin(x)$ et $du=\cos(x)$, on se retrouve avec l'opposé d'une intégrale de 0 à 1 auquel on ajoute 1, puis sachant qu'une primitive de $u$ est $\dfrac{ u^2}{2}$, on obtient $-\dfrac{1}{2} + 1 = \dfrac{1}{2}$ J'ai vérifié sur un site que j'utilise à la fin de mes entraînements qui se nomme "Wolfram Alpha" https://www.wolframalpha.com/input/?i=int+from+0+to+pi/2+of+(sin+(x))+*+(-cos(x))+dx+++1 et par chance, j'ai eu bon. Du coup, quelle est la formule simple dont tu parles ? Un élève de terminale doit-être capable de faire cette intégrale en combien de temps normalement ?
    Merci d'avance,
    Mohammed R.

    P-S : Connais-tu un site où ce genre d'exercices sont disponibles ?
  • C'est quoi comme bestiole arctanh ? ça se mange ?

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Mohammed R:
    Le site mathématique certainement le plus consulté et le plus actif mondialement est Math Exchange. Des gens du monde entier posent des questions (mais il faut comme ici, qu'ils montrent qu'ils n'attendent pas des autres qu'on fasse leur travail scolaire à leur place) et d'autres répondent. Les participants "notent" les réponses données et les participants sont aussi notés par un système de points.

    Le seul problème pour un francophone est que la langue utilisée exclusivement sur ce site est l'Anglais.
    Ce n'est pas un forum, c'est assez peu convivial (au moins dans la partie accessible au tout venant).

    Beaucoup de questions mathématiques* ont déjà leur réponse sur ce site. Les questions sont classées par thèmes.
    Personnellement je fais une veille quasi quotidienne exclusivement sur les questions concernant le calcul intégral.

    Pour en revenir à ma question, la formule générale à laquelle je faisais allusion:

    Si $h$ est une fonction définie et continue sur l'intervalle $\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$ alors,
    Si on note $H$ une primitive de $h$, on a:

    $\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} h(x)\left(\int_0^x h(t)dt\right)dx=\frac{1}{2}\left (H\left(\frac{\pi}{2}\right)-H\left(0\right)\right)^2$

    *: il existe un moteur de recherche pour ce site qui permet bien souvent de savoir si une question à laquelle on aimerait avoir une réponse a déjà obtenu une réponse sur ce site. (ce moteur autorise une recherche avec pour entrée une formule écrite en $\LaTeX$)

    PS:
    Il existe d'autres sites mathématiques internationaux comme https://artofproblemsolving.com/
    Autrement il existe des forums en Français (mais je les fréquente peu, trop axés sur des questions scolaires) comme
    https://www.ilemaths.net/
    Pour des questions beaucoup plus pointues il y a Mathoverflow (la déclinaison pour des professionnels de MathExchange)
  • Ev: le premier avril c'était avant-hier. B-)-

    $\displaystyle x\in ]-1,1[,\text{arctanh}(x)=\dfrac{1}{2}\ln\left(\frac{1+x}{1-x}\right)$

    C'est la fonction réciproque de la fonction tangente hyperbolique.

    On la note de plusieurs façons. J'imagine que c'est ma notation qui ne te convient pas 8-)

    PS:
    L'intégrale proposée vaut $2/3$.
  • @ FdP

    Moi pas connaître, un point c'est marre.

    e.v.
    Personne n'a raison contre un enfant qui pleure.


  • Ev:
    Tout le monde s'en fiche de cette recommandation d'écriture visiblement.
    Par exemple: voir https://reference.wolfram.com/language/ref/ArcTanh.html

    GP PARI ne connait pas de fonction artanh mais il connait la fonction atanh, ( MAXIMA, c'est pareil). B-)-

    PS:
    Visiblement MAPLE aussi ne connait pas de fonction artanh.
  • @Fin de partie :
    J'ai essayé de démontrer cette égalité mais je n'ai pas su comment m'y prendre... Peux-tu m'indiquer une piste quelconque ? Sinon, j'aimerais bien savoir de quelle intégrale parlais-tu pour pouvoir tenter de la faire également quand tu disais :
    Citation : " Edit: j'ai changé les bornes pour que le résultat soit une valeur plus "sympathique". " ?
    Merci beaucoup pour les sites, je les mets en favoris pour l'instant et je n'hésiterai pas à les utiliser plus tard.
    Merci d'avance,
    Mohammed R.
  • Un indication, une primitive de $x\to h(x)H(x)$ est $\frac 12 H²(x)$
    Le 😄 Farceur


  • Au départ j'avais pris comme bornes $0$ et $1$ (ces valeurs reviennent souvent) quand le calcul portait sur $\sin$.
    Mais $\sin 1$ est une valeur quelconque qui n'a rien de remarquable a priori tandis que $\displaystyle \sin\left(\frac{\pi}{2}\right)$ est une valeur remarquable. Ici, c'est seulement un souci esthétique puisque on a une formule générale qui marche peu importe les bornes $a,b$ pourvu que la fonction $h$ soit continue sur $[a;b]$.

    Indication: si $F$ est une primitive de la fonction $f$ définie et continue sur l'intervalle $[a;b]$ avec $b>a$, alors on a $\int_a^b f(x)dx=F(b)-F(b)$ (formule qu'on voit en terminale)
  • @gebrane @Fin de Partie :
    Oui, j'ai déjà vu ces formules, respectivement pour calculer notamment l'intégrale suivante : $A = \displaystyle \int_1^{e} \dfrac{\ln(x)}{x} dx.$
    J'avais alors appris que si l'on notait $ u(x) = \ln(x)$, alors $u'(x) = \dfrac{1}{x}$ et $A = \displaystyle \int_1^{e} u(x) \times u'(x) dx = \Big[\dfrac{u^2}{2}\Big]^{e}_{1} = \Big(\dfrac{\ln(e)^2}{2}\Big) - \Big(\dfrac{\ln(1)^2}{2}\Big) = \dfrac{1}{2} - \dfrac{0}{2} = \dfrac{1}{2} $ et lorsque j'ai commencé à étudier les intégrales...
    Ah c'est bon, en relisant je comprends mieux : je vais vous montrer ce que je pense pour savoir si j'ai tort dans mon raisonnement ou non : on a, quelle que soit la fonction $h$ continue sur $\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$, si l'on note une de ses primitives $H$, $\displaystyle \int_{0}^{x} h(t) dt = H(x) - H(0)$ ce qui revient à écrire, si on note $J$ l'intégrale que tu m'as proposée,
    $$J= \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x)\left(\int_{0}^{x} h(t) \,dt\right)dx = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x)\left(H(x) - H(0) \right)dx = \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(x) dx \right) - \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(0) dx \right).
    $$ Nous avons une intégrale avec $u' \times u$ dont une primitive est $\dfrac{u^2}{2}$ donc
    \begin{align*}
    J &=\left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(x) dx \right) - \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(0) dx \right) \\
    &=\left[ \dfrac{H^2}{2} \right]^{\frac{\pi}{2}}_{0} - \left( \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(0) dx \right) \\
    & = \dfrac{1}{2} \times \left( \left( H(\dfrac{\pi}{2}) \right)^{2} - \left( H(0) \right)^{2} \right) - \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(0) dx \right).
    \end{align*} Si l'on note $B = H(0)$, on a
    \begin{align*}
    J &= \dfrac{1}{2} \times \left( \left( H(\dfrac{\pi}{2}) \right)^{2} - \left( H(0) \right)^{2} \right) - \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) \times H(0) dx \right) \\
    & = \dfrac{1}{2} \times \left( \left( H(\dfrac{\pi}{2}) \right)^{2} - \left( H(0) \right)^{2} \right) - \left( B \times \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} h(x) dx \right) \\
    &= \dfrac{1}{2} \times \left( \left( H(\dfrac{\pi}{2}) \right)^{2} - \left( H(0) \right)^{2} \right) - \left(B \times \left( H(\dfrac{\pi}{2}) - H(0) \right) \right).
    \end{align*} Je passe les calculs car ça me prendrait une heure pour les écrire en $\LaTeX$ mais toujours est-il que la dernière expression, est bien : $ J = \dfrac{1}{2}\left (H\left(\frac{\pi}{2}\right)-H\left(0\right)\right)^2$. Je vous remercie vivement pour cet exercice très stimulant intellectuellement et qui m'a beaucoup plu :-D.
    Merci,
    Mohammed R.

    PS. N'hésitez pas à me dire si j'ai fait la moindre faute, qu'elle soit d'inattention ou, surtout, de rigueur.
  • Mohammed: Ce que je peux lire me semble correct

    Quand on veut écrire des suites d'égalités et que la page n'est pas assez large pour la contenir on peut faire comme ça:
    \begin{align}
    machin1&=machin2\\
    machin3&=machin4
    \end{align}
    
    Commencer par mettre les balises qui ouvrent et ferment cette suite de symboles et ne pas oublier les & et les \\ (ce dernier symbole signifie aller à la ligne)

    Application:
    \begin{align}
    A&=2+3\\
    A&=5
    \end{align}
  • Bonjour Mohammed R , puis-je savoir ton niveau d’études
    Le 😄 Farceur


  • @Fin de Partie :
    Je suis désolé mais je n'arrive pas à éditer le message et de plus, sur mon ordinateur, j'arrive à voir la totalité de ce que j'ai écrit. Si tu n'arrives pas à voir ce que j'ai écris, ("ce que je peux lire"), dis-le moi et je te joins une capture d'écran de ce que j'ai écrit dans mon précédent message.

    @gebrane :
    Je suis en Première Générale avec la Spécialité Mathématiques.

    Cordialement,
    Mohammed R.
  • Mohammed:
    On n'aime pas dans un calcul avoir quelque chose qui ressemble à:

    Blah, blah donc
    $=...$

    On n'aime pas les égalités sans deux membres.

    Pour éviter cela, il faut donner un nom à ce qu'on calcule*. J'utilise souvent la lettre $J$ pour désigner une intégrale.
    (on aurait envie d'utiliser $I$ pour intégrale mais la lettre $i$, même si elle est écrite en minuscule, est une lettre déjà utilisée en mathématiques)

    Ce qui donne:

    Blah, blah donc
    $J=...$

    *: ou alors structurer une suite d'égalités comme:

    \begin{align}truc1&=truc2\tag 1\\&=truc3\tag2\end{align} avec des renvois (des chiffres qui sont à droite entre parenthèses) pour justifier ce qu'on fait.
  • Merci, on s'en souviendra
    Le 😄 Farceur


  • @Fin de Partie :
    Je suis désolé, j'ai (tenté de) corrigé(er) ce que j'ai fait, est-ce mathématiquement mieux ou bien dois-je encore changer certaines choses ?
    Merci d'avance,
    Mohammed R.

    [J'ai changé ton message http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?4,2211930,2214100#msg-2214100 . Tu peux y voir les recommandations de FdP. AD]

    Merci beaucoup AD !!!! Je vais examiner cela de plus près pour faciliter la tâche aux lecteurs les prochaines fois que j'écrirai...
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