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C.1 · Calcul différentiel et intégral à une variable et applications

GRE · GRE Subject Test · GRE Mathematics · Sujet 1

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Champ d'application et prérequis

Préparation GRE niveau universitaire. Objectifs locaux dans le périmètre ETS examiné ; il s'agit d'un enseignement original, pas d'un test officiel ni d'un prédicteur de score.

Prérequis : Algèbre exacte, trigonométrie en radians, fonctions et inégalités.

  • Utiliser les limites, la continuité et la dérivabilité
  • Appliquer les dérivées, les intégrales et le théorème fondamental
  • Reconnaître les sommes de Riemann et les distinguer des séries infinies

continuité : Concordance de la valeur d'une fonction avec sa limite.

convergence : Approche vers une valeur limite finie.

Vocabulaire Entrainer
English Français
continuity/kɒntɪˈnjuːɪti/ continuité
convergence/kənˈvɜːdʒəns/ convergence
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Choisir et justifier une méthode

Une limite décrit les valeurs proches d'un point, sans nécessiter que la fonction y soit définie. La continuité ajoute l'exigence que la valeur de la fonction existe et concorde avec la limite. La simplification algébrique n'est valide qu'à l'écart du zéro simplifié, mais elle peut révéler une limite supprimable. Les limites latérales doivent concorder pour une limite bilatérale. Pour les limites de quotients, vérifiez le dénominateur et les hypothèses avant d'appliquer une règle ; 0/0 est une forme indéterminée, pas une réponse.

Une dérivée est une limite de quotients auxiliaires et implique la continuité ; la réciproque est fausse, comme le montre |x| en zéro. Les règles du produit, du quotient et de la chaîne décrivent des structures différentes : la dérivée de f(g(x)) est f′(g(x))g′(x), pas un produit de valeurs indépendantes. Dériver une composition une deuxième fois produit généralement deux termes. Vérifiez les domaines, les dénominateurs non nuls et les hypothèses de dérivabilité avant d'utiliser une expression symbolique comme dérivée.

Le théorème fondamental stipule que la dérivée de ∫ de a à x d'un intégrande continu f(t) est f(x). Avec une borne supérieure variable h(x), multipliez par h′(x) ; avec deux bornes variables, soustrayez la contribution correspondante de la borne inférieure. Une intégrale définie apparaît également comme une limite de sommes de Riemann. Réécrivez la somme sous la forme (1/n)Σf(k/n) avant d'identifier l'intégrale sur [0,1], plutôt que de traiter les termes dépendants de n comme des constantes.

Par exemple, Σ de k=1 à n de n/(n²+k²) est égal à (1/n)Σ1/(1+(k/n)²), tendant vers ∫₀¹1/(1+t²)dt=π/4. Cette limite utilise la continuité et la largeur de partition 1/n. Une série sur un nombre illimité de termes est une limite différente : des termes tendant vers zéro ne garantissent pas seuls la convergence. Pour Σ1/k, les sommes partielles divergent ; comparez, estimez ou appliquez un test de série valide au lieu d'utiliser la condition nécessaire des termes comme suffisante.

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Raisonnement worked

Pour F(x)=integral de 0 à x² de e^t dt, le théorème fondamental et la règle de la chaîne donnent F′(x)=e^(x²)·2x. En x=1, F′(1)=2e. La borne supérieure est x², donc omettre 2x ignore sa vitesse de variation.

Calcul différentiel et intégral à une variable et applications : exemple de cours
Illustration de cours originale ; ses valeurs appartiennent à l'exemple résolu, pas à la pratique ultérieure.
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Conditions et contre-exemples

Le calcul différentiel et intégral du niveau A-level constitue une matière préalable utile mais ne couvre pas l'analyse universitaire et ses applications évaluées ici.

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Application guidée

Soit $F(x)=\int_x^{x^2}(1+t^2)\,dt$. Trouvez $F'(x)$ et $F'(2)$. Indiquez pourquoi le théorème s'applique.

Solution détaillée

L'intégrande est continue sur la droite réelle. Le théorème fondamental et la règle de dérivation en chaîne s'appliquent aux deux bornes :

$$F'(x)=(1+x^4)2x-(1+x^2).$$
$$F'(2)=(1+2^4)\,2\cdot2-(1+2^2)=63.$$
Indépendamment, une primitive est $t+t^3/3$. Ainsi $F=x^2+x^6/3-x-x^3/3$, avec la même dérivée.

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Transfert indépendant

Trouver $\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^n k/(n^2+k^2)$. Expliquer pourquoi il s'agit d'une limite de somme de Riemann. Puis décider si $\sum_{k=1}^{\infty}1/k$ converge.

Vérification après tentative

Réécrire chaque terme sous la forme $\frac1n\frac{k/n}{1+(k/n)^2}$. La fonction continue $f(t)=t/(1+t^2)$ sur $[0,1]$ et le maillage $1/n$ donnent

$$L=\int_0^1\frac{t}{1+t^2}\,dt=\frac12\ln2.$$
La série harmonique diverge : le bloc allant de $2^{j-1}+1$ à $2^j$ contient au moins $2^{j-1}$ termes chacun supérieur ou égal à $1/2^j$, donc chaque bloc ajoute au moins $1/2$. Le fait que les termes tendent vers zéro est nécessaire mais non suffisant. L'intégrande de la somme finie ici dépend de l'indice mis à l'échelle ; ce n'est pas la série harmonique.

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