Lumio

Nombre dérivé — cours

3ème année · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

On considère la fonction f(x)=x2f(x) = x^2 et le point fixe A(1,1)A(1, 1) sur sa courbe. Si un point M(x,x2)M(x, x^2) se rapproche indéfiniment de AA (avec x≠1x \neq 1), quelle est la valeur limite de la pente de la sécante (AM)(AM) ?

Remarque

La pente de (AM)(AM) s'écrit x2−1x−1=x+1\frac{x^2 - 1}{x - 1} = x + 1 pour tout x≠1x \neq 1. Lorsque xx tend vers 11, cette pente tend vers 22. Cette valeur limite s'appelle le nombre dérivé de ff en 11.

Définition · 2

Définition du nombre dérivé en un point

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II et x0∈Ix_0 \in I.

f est deˊrivable en x0  ⟺  lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=l(l∈R)f \text{ est dérivable en } x_0 \iff \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} = l \quad (l \in \mathbb{R})

Le réel ll est appelé le nombre dérivé de ff en x0x_0, noté f′(x0)f'(x_0).

lim⁡h→0f(x0+h)−f(x0)h=f′(x0)\lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} = f'(x_0)

Remarque

Le quotient f(x)−f(x0)x−x0\frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} est appelé le taux d'accroissement de ff entre x0x_0 et xx.

Exemple travaillé · 3

Soit f(x)=2x2−xf(x) = 2x^2 - x. En utilisant la définition du nombre dérivé, montrer que ff est dérivable en 11 et déterminer f′(1)f'(1).

1

On évalue l'image du point x0=1x_0 = 1 :

f(1)=2(1)2−1=1f(1) = 2(1)^2 - 1 = 1
2

On forme le taux d'accroissement pour tout x≠1x \neq 1 :

f(x)−f(1)x−1=2x2−x−1x−1\frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \frac{2x^2 - x - 1}{x - 1}
3

On factorise le numérateur par (x−1)(x - 1) :

2x2−x−1=(x−1)(2x+1)2x^2 - x - 1 = (x - 1)(2x + 1)
4

On simplifie par (x−1)(x - 1) puis on calcule la limite :

lim⁡x→1(x−1)(2x+1)x−1=lim⁡x→1(2x+1)=3\lim_{x \to 1} \frac{(x - 1)(2x + 1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1} (2x + 1) = 3
5

La limite est un réel fini, donc ff est dérivable en 11 et f′(1)=3f'(1) = 3.

Exemple travaillé · 4

Soit f(x)=x+3f(x) = \sqrt{x + 3}. Montrer, à l'aide de la définition, que ff est dérivable en 11 et préciser la valeur de f′(1)f'(1).

1

On calcule l'image en x0=1x_0 = 1 :

f(1)=1+3=2f(1) = \sqrt{1 + 3} = 2
2

On pose le taux d'accroissement pour x∈[−3;+∞[∖{1}x \in [-3 ; +\infty[ \setminus \{1\} :

f(x)−f(1)x−1=x+3−2x−1\frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \frac{\sqrt{x + 3} - 2}{x - 1}
3

On multiplie numérateur et dénominateur par la quantité conjuguée (x+3+2)(\sqrt{x + 3} + 2) :

(x+3−2)(x+3+2)(x−1)(x+3+2)=(x+3)−4(x−1)(x+3+2)\frac{(\sqrt{x + 3} - 2)(\sqrt{x + 3} + 2)}{(x - 1)(\sqrt{x + 3} + 2)} = \frac{(x + 3) - 4}{(x - 1)(\sqrt{x + 3} + 2)}
4

On simplifie par (x−1)(x - 1) :

x−1(x−1)(x+3+2)=1x+3+2\frac{x - 1}{(x - 1)(\sqrt{x + 3} + 2)} = \frac{1}{\sqrt{x + 3} + 2}
5

On calcule la limite quand x→1x \to 1 :

lim⁡x→11x+3+2=14+2=14\lim_{x \to 1} \frac{1}{\sqrt{x + 3} + 2} = \frac{1}{\sqrt{4} + 2} = \frac{1}{4}
6

La limite est finie, donc ff est dérivable en 11 et f′(1)=14f'(1) = \frac{1}{4}.

Piège classique · 5

On souhaite calculer lim⁡x→−2x2−4x+2\lim_{x \to -2} \frac{x^2 - 4}{x + 2} en reconnaissant le nombre dérivé d'une fonction gg en un point aa. Quel est le bon choix pour gg et aa ?

Attention

Poser a=2a = 2 en lisant le « +2 » au dénominateur et calculer g′(2)=4g'(2) = 4.

À la place : Le dénominateur d'un taux d'accroissement est x−ax - a. Ici x+2=x−(−2)x + 2 = x - (-2), donc a=−2a = -2. Avec g(x)=x2g(x) = x^2, la limite vaut g′(−2)=−4g'(-2) = -4.

Vérification · 6

Soit f(x)=3x−x2f(x) = 3x - x^2. En évaluant la limite du taux d'accroissement quand h→0h \to 0, détermine la valeur de f′(2)f'(2).

Remarque

On a f(2)=2f(2) = 2 et f(2+h)=3(2+h)−(2+h)2=2−h−h2f(2+h) = 3(2+h) - (2+h)^2 = 2 - h - h^2. Le taux d'accroissement s'écrit f(2+h)−f(2)h=−h−h2h=−1−h\frac{f(2+h)-f(2)}{h} = \frac{-h - h^2}{h} = -1 - h. Quand h→0h \to 0, la limite vaut −1-1, d'où f′(2)=−1f'(2) = -1.

Point de départ · 7

La courbe d'une fonction ff passe par le point A(2,3)A(2, 3) et admet en ce point une droite tangente de pente égale à −1-1. Quelle est l'équation réduite de cette droite tangente ?

Remarque

Une droite de pente m=−1m = -1 passant par A(2,3)A(2, 3) a pour équation y−yA=m(x−xA)y - y_A = m(x - x_A), c'est-à-dire y=−1(x−2)+3=−x+5y = -1(x - 2) + 3 = -x + 5.

Définition · 8

Interprétation géométrique et équation de la tangente

Soit ff une fonction dérivable en x0x_0. La courbe représentative Cf\mathcal{C}_f admet au point A(x0,f(x0))A(x_0, f(x_0)) une tangente (T)(T).

(T):y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)(T) : y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

Le coefficient directeur de (T)(T) est f′(x0)f'(x_0). Un vecteur directeur de (T)(T) est u⃗(1f′(x0))\vec{u}\begin{pmatrix} 1 \\ f'(x_0) \end{pmatrix}.

Remarque

Si f′(x0)=0f'(x_0) = 0, la tangente est horizontale et son équation devient y=f(x0)y = f(x_0).

Exemple travaillé · 9

Soit f(x)=2x3−4x+3f(x) = 2x^3 - 4x + 3. Déterminer une équation de la tangente (T)(T) à la courbe de ff au point d'abscisse a=1a = 1, sachant que f′(1)=2f'(1) = 2.

1

On calcule l'ordonnée du point de contact :

f(1)=2(1)3−4(1)+3=1f(1) = 2(1)^3 - 4(1) + 3 = 1
2

On applique la formule de l'équation de la tangente en a=1a = 1 :

y=f′(1)(x−1)+f(1)y = f'(1)(x - 1) + f(1)
3

On remplace par les valeurs f′(1)=2f'(1) = 2 et f(1)=1f(1) = 1 :

y=2(x−1)+1y = 2(x - 1) + 1
4

On développe et on réduit l'expression :

y=2x−2+1  ⟺  y=2x−1y = 2x - 2 + 1 \iff y = 2x - 1

Exemple travaillé · 10

Soit g(x)=x−1x+1g(x) = \frac{x - 1}{x + 1} définie sur R∖{−1}\mathbb{R} \setminus \{-1\}. Déterminer l'équation de la tangente (T)(T) à la courbe de gg au point d'abscisse a=−2a = -2, sachant que g′(−2)=2g'(-2) = 2.

1

On calcule l'ordonnée du point de contact :

g(−2)=−2−1−2+1=−3−1=3g(-2) = \frac{-2 - 1}{-2 + 1} = \frac{-3}{-1} = 3
2

On applique la formule avec a=−2a = -2 en faisant attention aux signes :

y=g′(−2)(x−(−2))+g(−2)=2(x+2)+3y = g'(-2)(x - (-2)) + g(-2) = 2(x + 2) + 3
3

On développe l'équation :

y=2x+4+3  ⟺  y=2x+7y = 2x + 4 + 3 \iff y = 2x + 7

Piège classique · 11

Pour une fonction ff vérifiant f(3)=−2f(3) = -2 et f′(3)=4f'(3) = 4, quelle est l'équation de la tangente à la courbe au point d'abscisse 33 ?

Attention

Écrire y=4(x+3)−2y = 4(x + 3) - 2 en se trompant de signe dans la parenthèse, ou y=4x−2y = 4x - 2 en omettant de multiplier la pente par (x−3)(x - 3).

À la place : La formule impose (x−a)(x - a). Avec a=3a = 3, on a y=4(x−3)+(−2)=4x−12−2=4x−14y = 4(x - 3) + (-2) = 4x - 12 - 2 = 4x - 14.

Vérification · 12

La courbe d'une fonction ff admet au point S(−2,5)S(-2, 5) un extremum local où f′(−2)=0f'(-2) = 0. Détermine l'équation de la tangente en ce point.

Remarque

Comme f′(−2)=0f'(-2) = 0, la droite tangente est horizontale de pente nulle. Son équation réduite est y=f(−2)y = f(-2), soit y=5y = 5.

Point de départ · 13

On considère la fonction f(x)=∣x∣f(x) = |x|. Pour x>0x > 0, la courbe est la droite y=xy = x de pente +1+1. Pour x<0x < 0, c'est la droite y=−xy = -x de pente −1-1. La courbe admet-elle une unique pente de tangente à l'origine (0,0)(0, 0) ?

Remarque

À l'origine, la courbe forme une pointe (un point anguleux). Il n'existe pas de tangente unique, mais deux demi-tangentes de directions différentes selon qu'on s'approche par la droite ou par la gauche.

Définition · 14

Dérivabilité à droite, à gauche et dérivabilité globale

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant aa.

fd′(a)=lim⁡x→a+f(x)−f(a)x−aetfg′(a)=lim⁡x→a−f(x)−f(a)x−af'_d(a) = \lim_{x \to a^+} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} \quad \text{et} \quad f'_g(a) = \lim_{x \to a^-} \frac{f(x) - f(a)}{x - a}

Ces limites finies sont les nombres dérivés à droite et à gauche en aa. Elles définissent deux demi-tangentes au point A(a,f(a))A(a, f(a)) :

T+:y=fd′(a)(x−a)+f(a)(x≥a)etT−:y=fg′(a)(x−a)+f(a)(x≤a)T^+ : y = f'_d(a)(x - a) + f(a) \quad (x \ge a) \quad \text{et} \quad T^- : y = f'_g(a)(x - a) + f(a) \quad (x \le a)

f est deˊrivable en a  ⟺  fd′(a)∈R,  fg′(a)∈R  et  fd′(a)=fg′(a)f \text{ est dérivable en } a \iff f'_d(a) \in \mathbb{R}, \; f'_g(a) \in \mathbb{R} \; \text{et} \; f'_d(a) = f'_g(a)

Remarque

Si fd′(a)≠fg′(a)f'_d(a) \neq f'_g(a), ff n'est pas dérivable en aa. Le point A(a,f(a))A(a, f(a)) est un point anguleux.

Exemple travaillé · 15

Soit la fonction f(x)=∣x−1∣f(x) = |x - 1|. Étudier la dérivabilité de ff en x0=1x_0 = 1 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On explicite f(x)f(x) sans valeur absolue selon le signe de (x−1)(x - 1) :

f(x)={x−1si x≥1−(x−1)si x<1f(x) = \begin{cases} x - 1 & \text{si } x \ge 1 \\ -(x - 1) & \text{si } x < 1 \end{cases}
2

On a f(1)=0f(1) = 0. On calcule le nombre dérivé à droite en 11 :

lim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1+x−1x−1=1  ⟹  fd′(1)=1\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{x - 1}{x - 1} = 1 \implies f'_d(1) = 1
3

On calcule le nombre dérivé à gauche en 11 :

lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−−(x−1)x−1=−1  ⟹  fg′(1)=−1\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{-(x - 1)}{x - 1} = -1 \implies f'_g(1) = -1
4

Puisque fd′(1)≠fg′(1)f'_d(1) \neq f'_g(1) (1≠−11 \neq -1), la fonction ff n'est pas dérivable en 11.

5

Interprétation : au point A(1,0)A(1, 0), la courbe admet deux demi-tangentes de pentes +1+1 et −1-1, formant un point anguleux.

Exemple travaillé · 16

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x2+1f(x) = x^2 + 1 si x≥−1x \ge -1, et f(x)=−2xf(x) = -2x si x<−1x < -1. Étudier la dérivabilité de ff en −1-1.

1

On calcule l'image exacte au point de jonction :

f(−1)=(−1)2+1=2f(-1) = (-1)^2 + 1 = 2
2

On calcule le taux d'accroissement à droite (x>−1x > -1) :

lim⁡x→−1+(x2+1)−2x+1=lim⁡x→−1+(x−1)(x+1)x+1=lim⁡x→−1+(x−1)=−2\lim_{x \to -1^+} \frac{(x^2 + 1) - 2}{x + 1} = \lim_{x \to -1^+} \frac{(x - 1)(x + 1)}{x + 1} = \lim_{x \to -1^+} (x - 1) = -2
3

On calcule le taux d'accroissement à gauche (x<−1x < -1) :

lim⁡x→−1−−2x−2x+1=lim⁡x→−1−−2(x+1)x+1=−2\lim_{x \to -1^-} \frac{-2x - 2}{x + 1} = \lim_{x \to -1^-} \frac{-2(x + 1)}{x + 1} = -2
4

Les limites latérales sont finies et égales (fd′(−1)=fg′(−1)=−2f'_d(-1) = f'_g(-1) = -2). Donc ff est dérivable en −1-1 et f′(−1)=−2f'(-1) = -2.

Piège classique · 17

Une fonction ff vérifie fd′(2)=3f'_d(2) = 3 et fg′(2)=−1f'_g(2) = -1. Que peut-on conclure concernant la dérivabilité de ff en 22 ?

Attention

Penser que la simple finitude des dérivées latérales suffit à rendre la fonction dérivable en ce point.

À la place : Pour que ff soit dérivable en aa, il faut impérativement que fd′(a)=fg′(a)f'_d(a) = f'_g(a). Ici 3≠−13 \neq -1, donc ff n'est pas dérivable en 22 (la courbe présente un point anguleux).

Vérification · 18

Pour la fonction f(x)=∣1−x2∣f(x) = |1 - x^2|, le calcul des limites unilatérales du taux d'accroissement en 11 donne lim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=2\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = 2 et lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=−2\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = -2. Renseigne les valeurs des nombres dérivés latéraux.

Remarque

On a fd′(1)=2f'_d(1) = 2 et fg′(1)=−2f'_g(1) = -2. Comme ces deux réels sont distincts, la fonction ff n'est pas dérivable en 11 et admet un point anguleux au point (1,0)(1, 0).

Point de départ · 19

On observe la courbe de la fonction f(x)=xf(x) = \sqrt{x} pour x>0x > 0. Lorsque xx se rapproche de 00 par valeurs supérieures, le taux d'accroissement x−0x=1x\frac{\sqrt{x} - 0}{x} = \frac{1}{\sqrt{x}} devient arbitrairement grand et tend vers +∞+\infty. Que devient géométriquement la sécante joignant l'origine au point M(x,x)M(x, \sqrt{x}) ?

Remarque

La pente de la sécante tend vers +∞+\infty : la droite pivote jusqu'à atteindre une position limite verticale. La courbe admet ainsi une demi-tangente verticale à l'origine.

Définition · 20

Limite infinie du taux d'accroissement et demi-tangente verticale

Soit ff une fonction définie sur un intervalle II et a∈Ia \in I.

lim⁡x→a+f(x)−f(a)x−a=+∞(ou −∞)\lim_{x \to a^+} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = +\infty \quad (\text{ou } -\infty)

La limite n'étant pas un nombre réel fini, ff n'est pas dérivable à droite en aa.

Géométriquement, la courbe représentative Cf\mathcal{C}_f admet au point A(a,f(a))A(a, f(a)) une demi-tangente verticale d'équation x=ax = a.

f est deˊrivable en a  ⟹  f est continue en af \text{ est dérivable en } a \implies f \text{ est continue en } a

Remarque

La réciproque est fausse : une fonction peut être continue en un point sans y être dérivable (comme en présence d'une demi-tangente verticale ou d'un point anguleux).

Exemple travaillé · 21

Soit f(x)=2x−6f(x) = \sqrt{2x - 6} définie sur [3;+∞[[3 ; +\infty[. Étudier la dérivabilité de ff à droite en 33 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On évalue l'image en x0=3x_0 = 3 :

f(3)=2(3)−6=0f(3) = \sqrt{2(3) - 6} = 0
2

On forme le taux d'accroissement à droite pour tout x>3x > 3 :

f(x)−f(3)x−3=2x−6x−3=2(x−3)x−3\frac{f(x) - f(3)}{x - 3} = \frac{\sqrt{2x - 6}}{x - 3} = \frac{\sqrt{2(x - 3)}}{x - 3}
3

Comme x>3x > 3, on a x−3=(x−3)2x - 3 = (\sqrt{x - 3})^2, ce qui permet de simplifier :

2x−3(x−3)2=2x−3\frac{\sqrt{2}\sqrt{x - 3}}{(\sqrt{x - 3})^2} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{x - 3}}
4

On calcule la limite lorsque x→3+x \to 3^+ :

lim⁡x→3+2x−3=+∞\lim_{x \to 3^+} \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{x - 3}} = +\infty
5

La limite est infinie, donc ff n'est pas dérivable à droite en 33. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point A(3,0)A(3, 0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Exemple travaillé · 22

Soit la fonction gg définie sur [−1;1][-1 ; 1] par g(x)=(1−x)1−x2g(x) = (1 - x)\sqrt{1 - x^2}. Étudier la dérivabilité de gg à droite en −1-1.

1

On calcule l'image en −1-1 :

g(−1)=(1−(−1))1−(−1)2=0g(-1) = (1 - (-1))\sqrt{1 - (-1)^2} = 0
2

On écrit le taux d'accroissement pour x∈]−1;1]x \in ]-1 ; 1] :

g(x)−g(−1)x+1=(1−x)1−x2x+1\frac{g(x) - g(-1)}{x + 1} = \frac{(1 - x)\sqrt{1 - x^2}}{x + 1}
3

On factorise 1−x2=(1−x)(1+x)1 - x^2 = (1 - x)(1 + x) et on utilise x+1=(x+1)2x + 1 = (\sqrt{x + 1})^2 pour x>−1x > -1 :

(1−x)1−x1+x(x+1)2=(1−x)1−xx+1\frac{(1 - x)\sqrt{1 - x}\sqrt{1 + x}}{(\sqrt{x + 1})^2} = \frac{(1 - x)\sqrt{1 - x}}{\sqrt{x + 1}}
4

Quand x→−1+x \to -1^+, le numérateur tend vers 222\sqrt{2} et le dénominateur vers 0+0^+, d'où :

lim⁡x→−1+(1−x)1−xx+1=+∞\lim_{x \to -1^+} \frac{(1 - x)\sqrt{1 - x}}{\sqrt{x + 1}} = +\infty
5

La fonction gg n'est pas dérivable à droite en −1-1. Sa courbe admet une demi-tangente verticale au point (−1,0)(-1, 0).

Piège classique · 23

Pour étudier la dérivabilité en x=2x = 2 de f(x)=x2−4f(x) = \sqrt{x^2 - 4} sur [2;+∞[[2 ; +\infty[, peut-on appliquer directement la formule (u)′=u′2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} ?

Attention

Appliquer la formule de dérivation globale (u)′(\sqrt{u})' en un point où la quantité sous la racine s'annule, ce qui produit une division par zéro.

À la place : Le théorème de dérivation de u\sqrt{u} exige u(x)>0u(x) > 0. Comme u(2)=0u(2) = 0, la formule est inapplicable : il faut obligatoirement étudier la limite du taux d'accroissement f(x)−f(2)x−2\frac{f(x) - f(2)}{x - 2}.

Vérification · 24

Parmi les affirmations suivantes sur le lien entre continuité et dérivabilité, laquelle est exacte ?

Remarque

La dérivabilité en un point est une condition plus forte qui entraîne nécessairement la continuité. La réciproque est fausse : la fonction x↦xx \mapsto \sqrt{x} est continue en 00 mais non dérivable en 00.

Point de départ · 25

Pour dériver la fonction f(x)=x⋅x2f(x) = x \cdot x^2, peut-on dériver chaque facteur séparément et écrire (x)′×(x2)′=1×2x=2x(x)' \times (x^2)' = 1 \times 2x = 2x ?

Remarque

En développant d'abord l'expression, on a f(x)=x3f(x) = x^3, dont la dérivée exacte est 3x2≠2x3x^2 \neq 2x. La règle (u⋅v)′=u′⋅v′(u \cdot v)' = u' \cdot v' est fausse : la dérivation d'un produit obéit à la règle de Leibniz (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'.

Définition · 26

Règles opératoires de dérivation

Soient uu et vv deux fonctions dérivables en un point aa, et α,β∈R\alpha, \beta \in \mathbb{R}.

(u+v)′(a)=u′(a)+v′(a)et(αu+βv)′(a)=αu′(a)+βv′(a)(u + v)'(a) = u'(a) + v'(a) \quad \text{et} \quad (\alpha u + \beta v)'(a) = \alpha u'(a) + \beta v'(a)

(u⋅v)′(a)=u′(a)v(a)+u(a)v′(a)(u \cdot v)'(a) = u'(a)v(a) + u(a)v'(a)

(un)′(a)=n u′(a) un−1(a)(n∈N∗)(u^n)'(a) = n \, u'(a) \, u^{n-1}(a) \quad (n \in \mathbb{N}^*)

Si de plus v(a)≠0v(a) \neq 0 :

(1v)′(a)=−v′(a)(v(a))2et(uv)′(a)=u′(a)v(a)−u(a)v′(a)(v(a))2\left(\frac{1}{v}\right)'(a) = \frac{-v'(a)}{(v(a))^2} \quad \text{et} \quad \left(\frac{u}{v}\right)'(a) = \frac{u'(a)v(a) - u(a)v'(a)}{(v(a))^2}

Si u(a)>0u(a) > 0 :

(u)′(a)=u′(a)2u(a)(\sqrt{u})'(a) = \frac{u'(a)}{2\sqrt{u(a)}}

Exemple travaillé · 27

Soit f(x)=2x+1x−3f(x) = \frac{2x + 1}{x - 3} définie sur R∖{3}\mathbb{R} \setminus \{3\}. Déterminer la fonction dérivée f′(x)f'(x) puis calculer le nombre dérivé f′(1)f'(1).

1

On pose les fonctions composantes du quotient :

u(x)=2x+1  ⟹  u′(x)=2etv(x)=x−3  ⟹  v′(x)=1u(x) = 2x + 1 \implies u'(x) = 2 \quad \text{et} \quad v(x) = x - 3 \implies v'(x) = 1
2

On applique la règle de dérivation du quotient :

f′(x)=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)(v(x))2=2(x−3)−(2x+1)(1)(x−3)2f'(x) = \frac{u'(x)v(x) - u(x)v'(x)}{(v(x))^2} = \frac{2(x - 3) - (2x + 1)(1)}{(x - 3)^2}
3

On développe et on réduit le numérateur sans développer le dénominateur :

f′(x)=2x−6−2x−1(x−3)2=−7(x−3)2f'(x) = \frac{2x - 6 - 2x - 1}{(x - 3)^2} = \frac{-7}{(x - 3)^2}
4

On évalue la dérivée en x=1x = 1 :

f′(1)=−7(1−3)2=−7(−2)2=−74f'(1) = \frac{-7}{(1 - 3)^2} = \frac{-7}{(-2)^2} = -\frac{7}{4}

Exemple travaillé · 28

Soit g(x)=x2+5g(x) = \sqrt{x^2 + 5} définie sur R\mathbb{R}. Justifier que gg est dérivable sur R\mathbb{R}, déterminer l'expression de g′(x)g'(x) et calculer g′(2)g'(2).

1

Le polynôme u(x)=x2+5u(x) = x^2 + 5 est dérivable sur R\mathbb{R} et strictement positif pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} (x2+5≥5>0x^2 + 5 \ge 5 > 0). Donc g=ug = \sqrt{u} est dérivable sur R\mathbb{R}.

2

On calcule la dérivée interne :

u′(x)=2xu'(x) = 2x
3

On applique la formule (u)′=u′2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} et on simplifie par 22 :

g′(x)=2x2x2+5=xx2+5g'(x) = \frac{2x}{2\sqrt{x^2 + 5}} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 5}}
4

On évalue la dérivée au point d'abscisse x=2x = 2 :

g′(2)=222+5=29=23g'(2) = \frac{2}{\sqrt{2^2 + 5}} = \frac{2}{\sqrt{9}} = \frac{2}{3}

Piège classique · 29

Pour déterminer le nombre dérivé en a=1a = 1 de f(x)=(3x−1)2f(x) = (3x - 1)^2, un élève calcule d'abord f(1)=(3(1)−1)2=4f(1) = (3(1) - 1)^2 = 4, puis dérive ce résultat pour obtenir f′(1)=(4)′=0f'(1) = (4)' = 0. Pourquoi ce calcul est-il faux ?

Attention

Évaluer la fonction en la valeur aa avant de dériver, ce qui transforme l'expression en une constante dont la dérivée est systématiquement nulle.

À la place : Il faut d'abord calculer la fonction dérivée formelle f′(x)=2(3)(3x−1)=6(3x−1)f'(x) = 2(3)(3x - 1) = 6(3x - 1), puis remplacer xx par 11, ce qui donne f′(1)=6(2)=12f'(1) = 6(2) = 12.

Vérification · 30

Soit f(x)=42x+3f(x) = \frac{4}{2x + 3} définie sur R∖{−32}\mathbb{R} \setminus \{-\frac{3}{2}\}. À l'aide des règles de dérivation, détermine la valeur de f′(−1)f'(-1).

Remarque

Pour une fonction de la forme ku\frac{k}{u}, on a f′(x)=−ku′(x)(u(x))2f'(x) = \frac{-k u'(x)}{(u(x))^2}. Avec u(x)=2x+3u(x) = 2x + 3 et u′(x)=2u'(x) = 2, on obtient f′(x)=−4(2)(2x+3)2=−8(2x+3)2f'(x) = \frac{-4(2)}{(2x + 3)^2} = \frac{-8}{(2x + 3)^2}. Pour x=−1x = -1, f′(−1)=−8(2(−1)+3)2=−812=−8f'(-1) = \frac{-8}{(2(-1) + 3)^2} = \frac{-8}{1^2} = -8.

Point de départ · 31

On cherche à estimer mentalement la valeur de 1,002\sqrt{1{,}002} sans calculatrice. Quelle droite proche de la courbe de f(x)=xf(x) = \sqrt{x} au point d'abscisse 11 permet d'obtenir rapidement une excellente valeur approchée ?

Remarque

Au voisinage immédiat de x=1x = 1, la courbe représentative est presque confondue avec sa droite tangente. On peut donc remplacer le calcul de la fonction par la formule affine de sa tangente.

Définition · 32

Approximation affine locale

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert II et dérivable en un point a∈Ia \in I.

f(a+h)≈f(a)+f′(a)h(pour h voisin de 0)f(a + h) \approx f(a) + f'(a)h \quad (\text{pour } h \text{ voisin de } 0)

Le réel f(a)+f′(a)hf(a) + f'(a)h est appelé l'approximation affine de f(a+h)f(a+h) au voisinage de 00.

Remarque

Cette estimation correspond géométriquement à remplacer l'ordonnée sur la courbe par l'ordonnée sur la droite tangente y=f′(a)(x−a)+f(a)y = f'(a)(x-a) + f(a) en posant x−a=hx - a = h.

Exemple travaillé · 33

Déterminer l'approximation affine de 1+h\sqrt{1 + h} pour hh proche de 00, puis en déduire une estimation des nombres 1,004\sqrt{1{,}004} et 0,998\sqrt{0{,}998}.

1

On pose la fonction de référence f(x)=xf(x) = \sqrt{x} et le point d'ancrage a=1a = 1.

2

On calcule l'image et le nombre dérivé en 11 :

f(1)=1etf′(x)=12x  ⟹  f′(1)=12f(1) = 1 \quad \text{et} \quad f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}} \implies f'(1) = \frac{1}{2}
3

On applique la formule d'approximation affine :

1+h≈f(1)+f′(1)h=1+12h\sqrt{1 + h} \approx f(1) + f'(1)h = 1 + \frac{1}{2}h
4

Pour 1,004\sqrt{1{,}004}, on pose 1+h=1,004  ⟹  h=0,0041 + h = 1{,}004 \implies h = 0{,}004 :

1,004≈1+12(0,004)=1+0,002=1,002\sqrt{1{,}004} \approx 1 + \frac{1}{2}(0{,}004) = 1 + 0{,}002 = 1{,}002
5

Pour 0,998\sqrt{0{,}998}, on pose 1+h=0,998  ⟹  h=−0,0021 + h = 0{,}998 \implies h = -0{,}002 :

0,998≈1+12(−0,002)=1−0,001=0,999\sqrt{0{,}998} \approx 1 + \frac{1}{2}(-0{,}002) = 1 - 0{,}001 = 0{,}999

Exemple travaillé · 34

Soit la fonction f(x)=(1+x)5f(x) = (1+x)^5. Déterminer l'approximation affine de ff au voisinage de 00, puis en déduire une valeur approchée de (1,0002)5(1{,}0002)^5.

1

On calcule l'image en 00 :

f(0)=(1+0)5=1f(0) = (1+0)^5 = 1
2

On calcule la dérivée et le nombre dérivé en 00 :

f′(x)=5(1+x)4  ⟹  f′(0)=5(1)4=5f'(x) = 5(1+x)^4 \implies f'(0) = 5(1)^4 = 5
3

On écrit l'approximation affine au voisinage de 00 :

f(h)≈f(0)+f′(0)h=1+5hf(h) \approx f(0) + f'(0)h = 1 + 5h
4

Pour estimer (1,0002)5(1{,}0002)^5, on identifie h=0,0002h = 0{,}0002 :

(1,0002)5≈1+5(0,0002)=1+0,0010=1,001(1{,}0002)^5 \approx 1 + 5(0{,}0002) = 1 + 0{,}0010 = 1{,}001

Piège classique · 35

On utilise la formule usuelle 11+h≈1−h\frac{1}{1+h} \approx 1 - h pour estimer le nombre 10,98\frac{1}{0{,}98}. Quelle est la valeur correcte de l'accroissement hh et l'estimation associée ?

Attention

Prendre h=0,02h = 0{,}02 comme un écart positif brut, ce qui donne 1−0,02=0,981 - 0{,}02 = 0{,}98, résultat absurde pour l'inverse d'un nombre strictement inférieur à 11.

À la place : On pose 1+h=0,98  ⟹  h=0,98−1=−0,021 + h = 0{,}98 \implies h = 0{,}98 - 1 = -0{,}02. La formule donne 11+(−0,02)≈1−(−0,02)=1+0,02=1,02\frac{1}{1+(-0{,}02)} \approx 1 - (-0{,}02) = 1 + 0{,}02 = 1{,}02.

Vérification · 36

Soit la fonction f(x)=x3−3x2+2x+5f(x) = x^3 - 3x^2 + 2x + 5. Sachant que f(2)=5f(2) = 5 et f′(2)=2f'(2) = 2, détermine l'approximation affine de f(2,00001)f(2{,}00001).

Remarque

Avec a=2a = 2 et h=0,00001h = 0{,}00001, on applique f(2+h)≈f(2)+f′(2)h=5+2(0,00001)=5,00002f(2+h) \approx f(2) + f'(2)h = 5 + 2(0{,}00001) = 5{,}00002.

Point de départ · 37

Soit la droite (D)(D) d'équation y=3x−1y = 3x - 1. Si la courbe d'une fonction ff admet au point A(x0,f(x0))A(x_0, f(x_0)) une tangente (T)(T) parallèle à (D)(D), quelle doit être la valeur du nombre dérivé f′(x0)f'(x_0) ?

Remarque

Deux droites sont parallèles si et seulement si elles ont la même pente. Le coefficient directeur de la tangente étant f′(x0)f'(x_0) et celui de (D)(D) étant 33, on a nécessairement f′(x0)=3f'(x_0) = 3.

Définition · 38

Tangentes parallèles et perpendiculaires à une droite

Le plan est muni d'un repère orthonormé. Soit ff une fonction dérivable en x0x_0, Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative et (D)(D) une droite d'équation y=mx+py = mx + p.

(T)∥(D)  ⟺  f′(x0)=m(T) \parallel (D) \iff f'(x_0) = m

La tangente (T)(T) en x0x_0 est perpendiculaire à (D)(D) si et seulement si le produit de leurs coefficients directeurs vaut −1-1 :

(T)⊥(D)  ⟺  f′(x0)×m=−1  ⟺  f′(x0)=−1m(m≠0)(T) \perp (D) \iff f'(x_0) \times m = -1 \iff f'(x_0) = -\frac{1}{m} \quad (m \neq 0)

Remarque

Ces conditions permettent de déterminer l'abscisse x0x_0 du point de contact en résolvant l'équation correspondante en f′(x0)f'(x_0).

Exemple travaillé · 39

Soit la fonction f(x)=x3f(x) = x^3 définie sur R\mathbb{R}. Déterminer les coordonnées des points de Cf\mathcal{C}_f où la tangente est parallèle à la droite sécante (AB)(AB) passant par A(−1,−1)A(-1, -1) et B(2,8)B(2, 8).

1

On calcule le coefficient directeur mm de la droite sécante (AB)(AB) :

m=yB−yAxB−xA=8−(−1)2−(−1)=93=3m = \frac{y_B - y_A}{x_B - x_A} = \frac{8 - (-1)}{2 - (-1)} = \frac{9}{3} = 3
2

On calcule la fonction dérivée de ff sur R\mathbb{R} :

f′(x)=3x2f'(x) = 3x^2
3

On traduit le parallélisme par l'égalité des pentes f′(x0)=mf'(x_0) = m et on résout l'équation :

3x02=3  ⟺  x02=1  ⟺  x0=1oux0=−13x_0^2 = 3 \iff x_0^2 = 1 \iff x_0 = 1 \quad \text{ou} \quad x_0 = -1
4

On calcule les ordonnées respectives des points de contact :

f(1)=13=1etf(−1)=(−1)3=−1f(1) = 1^3 = 1 \quad \text{et} \quad f(-1) = (-1)^3 = -1
5

Les points de contact sont M1(1,1)M_1(1, 1) et M2(−1,−1)M_2(-1, -1) (qui est le point AA lui-même).

Exemple travaillé · 40

Soit f(x)=2x2+x+1f(x) = 2x^2 + x + 1 définie sur R\mathbb{R}. Déterminer le point de Cf\mathcal{C}_f où la tangente (T)(T) est perpendiculaire à la droite (D)(D) d'équation x−7y+7=0x - 7y + 7 = 0.

1

On met l'équation de (D)(D) sous forme réduite pour déterminer sa pente :

x−7y+7=0  ⟺  7y=x+7  ⟺  y=17x+1  ⟹  m=17x - 7y + 7 = 0 \iff 7y = x + 7 \iff y = \frac{1}{7}x + 1 \implies m = \frac{1}{7}
2

La condition d'orthogonalité (T)⊥(D)(T) \perp (D) impose f′(x0)×m=−1f'(x_0) \times m = -1 :

f′(x0)×17=−1  ⟺  f′(x0)=−7f'(x_0) \times \frac{1}{7} = -1 \iff f'(x_0) = -7
3

On calcule la dérivée f′(x)=4x+1f'(x) = 4x + 1 et on résout l'équation :

4x0+1=−7  ⟺  4x0=−8  ⟺  x0=−24x_0 + 1 = -7 \iff 4x_0 = -8 \iff x_0 = -2
4

On calcule l'ordonnée du point de contact :

f(−2)=2(−2)2+(−2)+1=8−2+1=7f(-2) = 2(-2)^2 + (-2) + 1 = 8 - 2 + 1 = 7
5

Le point cherché est M(−2,7)M(-2, 7).

Piège classique · 41

On cherche les points où la tangente à une courbe est perpendiculaire à la droite (D)(D) d'équation y=2x−5y = 2x - 5. Quelle équation sur le nombre dérivé doit-on poser ?

Attention

Poser f′(x0)=−2f'(x_0) = -2 en pensant qu'il suffit d'opposer le signe de la pente.

À la place : La condition d'orthogonalité est f′(x0)×m=−1f'(x_0) \times m = -1. Avec m=2m = 2, l'équation exacte est f′(x0)×2=−1  ⟺  f′(x0)=−12f'(x_0) \times 2 = -1 \iff f'(x_0) = -\frac{1}{2}.

Vérification · 42

Soit la fonction f(x)=x2−3x+1f(x) = x^2 - 3x + 1. Détermine l'abscisse x0x_0 du point en lequel la tangente à Cf\mathcal{C}_f est parallèle à la droite d'équation y=5x−2y = 5x - 2.

Remarque

La droite a pour coefficient directeur m=5m = 5. On a f′(x)=2x−3f'(x) = 2x - 3. On résout f′(x0)=5  ⟺  2x0−3=5  ⟺  2x0=8  ⟺  x0=4f'(x_0) = 5 \iff 2x_0 - 3 = 5 \iff 2x_0 = 8 \iff x_0 = 4.

Chapitres liés

Continuer sur Lumio

Ce chapitre compte 0 exercices dans Lumio, servis un par un selon ce que tu réussis et ce que tu rates, avec la correction détaillée à chaque étape.

Créer mon compte gratuitement