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Fonction dérivée — cours

3ème année · section Sciences expérimentales · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

On rappelle que le nombre dérivé d'une fonction ff en un réel x0x_0 est la limite du taux d'accroissement en ce point :

f′(x0)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0) = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

Remarque

Lorsque cette limite est un réel fini, la fonction ff est dite dérivable en x0x_0.

Définition · 2

Définition de la fonction dérivée

f est deˊfinie et deˊrivable en tout point d’un intervalle ouvert If \text{ est définie et dérivable en tout point d'un intervalle ouvert } I

f′:I→R,x↦f′(x)f' : I \to \mathbb{R}, \quad x \mapsto f'(x)

La fonction qui à chaque réel xx de II associe le nombre dérivé f′(x)f'(x) est appelée la fonction dérivée de ff, notée f′f'.

Définition · 3

Dérivées des fonctions usuelles fondamentales

(k)′=0(k∈R sur R)(k)' = 0 \quad (k \in \mathbb{R} \text{ sur } \mathbb{R})

(xn)′=nxn−1(n∈N∗ sur R)(x^n)' = n x^{n-1} \quad (n \in \mathbb{N}^* \text{ sur } \mathbb{R})

(1x)′=−1x2(sur R∗)\left(\frac{1}{x}\right)' = -\frac{1}{x^2} \quad (\text{sur } \mathbb{R}^*)

(x)′=12x(sur ]0;+∞[)(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}} \quad (\text{sur } ]0 ; +\infty[)

Exemple travaillé · 4

Déterminer le domaine de dérivabilité et calculer la fonction dérivée de f:x↦2x3−4x2+5x−3f : x \mapsto 2x^3 - 4x^2 + 5x - 3.

1

ff est une fonction polynôme, elle est donc dérivable sur R\mathbb{R}.

2
f′(x)=2(3x2)−4(2x)+5(1)−0f'(x) = 2(3x^2) - 4(2x) + 5(1) - 0
3
f′(x)=6x2−8x+5f'(x) = 6x^2 - 8x + 5

Piège classique · 5

Sur quel ensemble la fonction f:x↦xf : x \mapsto \sqrt{x} est-elle dérivable ?

Attention

Affirmer que ff est dérivable sur [0;+∞[[0 ; +\infty[ car elle y est définie.

À la place : La fonction racine carrée est définie sur [0;+∞[[0 ; +\infty[, mais dérivable uniquement sur l'intervalle ouvert ]0;+∞[]0 ; +\infty[. En 0, le taux d'accroissement tend vers +∞+\infty, ce qui correspond à une demi-tangente verticale.

Vérification · 6

Soit g(x)=x4−1xg(x) = x^4 - \frac{1}{x} définie sur R∗\mathbb{R}^*. Quelle est l'expression de sa fonction dérivée g′(x)g'(x) ?

Remarque

On applique (x4)′=4x3(x^4)' = 4x^3 et −(1x)′=−(−1x2)=+1x2-\left(\frac{1}{x}\right)' = -\left(-\frac{1}{x^2}\right) = +\frac{1}{x^2}.

Définition · 7

Opérations sur les fonctions dérivables

Soient uu et vv deux fonctions dérivables sur un intervalle II, et λ\lambda un réel.

(u+v)′=u′+v′(u + v)' = u' + v'

(λu)′=λu′(\lambda u)' = \lambda u'

(u×v)′=u′v+uv′(u \times v)' = u'v + uv'

Si v(x)≠0 pour tout x∈I\text{Si } v(x) \neq 0 \text{ pour tout } x \in I

(1v)′=−v′v2et(uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{v^2} \quad \text{et} \quad \left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}

Exemple travaillé · 8

Calculer la fonction dérivée de f(x)=2x−1x+3f(x) = \frac{2x - 1}{x + 3} sur R∖{−3}\mathbb{R} \setminus \{-3\}.

1

ff est un quotient uv\frac{u}{v} avec u(x)=2x−1u(x) = 2x - 1 et v(x)=x+3v(x) = x + 3.

2

On calcule les dérivées : u′(x)=2u'(x) = 2 et v′(x)=1v'(x) = 1.

3
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}
4
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}

Définition · 9

Dérivée de fonctions composées : puissance, racine et forme affine

u est deˊrivable sur I et n∈N∗u \text{ est dérivable sur } I \text{ et } n \in \mathbb{N}^*

(un)′=nu′un−1(u^n)' = n u' u^{n-1}

u est deˊrivable et strictement positive sur Iu \text{ est dérivable et strictement positive sur } I

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

g(x)=f(ax+b) avec a,b∈Rg(x) = f(ax + b) \text{ avec } a, b \in \mathbb{R}

g′(x)=af′(ax+b)g'(x) = a f'(ax + b)

Exemple travaillé · 10

Déterminer la fonction dérivée de g(x)=(3x2−1)4g(x) = (3x^2 - 1)^4 sur R\mathbb{R}.

1

gg est de la forme u4u^4 avec u(x)=3x2−1u(x) = 3x^2 - 1 et n=4n = 4.

2

La dérivée de la fonction interne est u′(x)=6xu'(x) = 6x.

3
g′(x)=4×u′(x)×(u(x))3=4×(6x)×(3x2−1)3g'(x) = 4 \times u'(x) \times (u(x))^3 = 4 \times (6x) \times (3x^2 - 1)^3
4
g′(x)=24x(3x2−1)3g'(x) = 24x(3x^2 - 1)^3

Piège classique · 11

Quelle est la dérivée de h(x)=2x+3h(x) = \sqrt{2x + 3} sur ]−32;+∞[]-\frac{3}{2} ; +\infty[ ?

Attention

Appliquer la formule usuelle (x)′=12x(\sqrt{x})' = \frac{1}{2\sqrt{x}} sans dériver l'intérieur, ce qui donnerait 122x+3\frac{1}{2\sqrt{2x+3}}.

À la place : On applique (u)′=u′2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} avec u(x)=2x+3u(x) = 2x + 3 et u′(x)=2u'(x) = 2. On obtient h′(x)=222x+3=12x+3h'(x) = \frac{2}{2\sqrt{2x+3}} = \frac{1}{\sqrt{2x+3}}.

Piège classique · 12

La fonction f:x↦4−2xf : x \mapsto \sqrt{4 - 2x} est-elle dérivable en x=2x = 2 ?

Attention

Affirmer que ff est dérivable en 22 car f(2)=0=0f(2) = \sqrt{0} = 0 existe.

À la place : La fonction u\sqrt{u} n'est dérivable que là où u(x)>0u(x) > 0 strictement. En x=2x = 2, u(2)=0u(2) = 0 : le dénominateur de la dérivée s'annule et le taux d'accroissement tend vers l'infini. ff n'est pas dérivable en 22 (demi-tangente verticale).

Vérification · 13

Soit k(x)=(2x−5)3k(x) = (2x - 5)^3. Quelle est l'expression de sa fonction dérivée k′(x)k'(x) sur R\mathbb{R} ?

Remarque

On pose u(x)=2x−5u(x) = 2x - 5, d'où u′(x)=2u'(x) = 2. En appliquant (u3)′=3u′u2(u^3)' = 3 u' u^2, on obtient k′(x)=3×2×(2x−5)2=6(2x−5)2k'(x) = 3 \times 2 \times (2x - 5)^2 = 6(2x - 5)^2.

Définition · 14

Signe de la dérivée et sens de variation

f est une fonction deˊrivable sur un intervalle If \text{ est une fonction dérivable sur un intervalle } I

∀x∈I,f′(x)≥0  ⟺  f est croissante sur I\forall x \in I, f'(x) \ge 0 \iff f \text{ est croissante sur } I

∀x∈I,f′(x)≤0  ⟺  f est deˊcroissante sur I\forall x \in I, f'(x) \le 0 \iff f \text{ est décroissante sur } I

∀x∈I,f′(x)=0  ⟺  f est constante sur I\forall x \in I, f'(x) = 0 \iff f \text{ est constante sur } I

Définition · 15

Extremum local et dérivée

f est deˊrivable sur un intervalle ouvert I et x0∈If \text{ est dérivable sur un intervalle ouvert } I \text{ et } x_0 \in I

f′(x0)=0 et f′ change de signe en x0  ⟺  f admet un extremum local en x0f'(x_0) = 0 \text{ et } f' \text{ change de signe en } x_0 \iff f \text{ admet un extremum local en } x_0

Si f′f' s'annule en passant du positif au négatif, f(x0)f(x_0) est un maximum local. Si f′f' passe du négatif au positif, f(x0)f(x_0) est un minimum local.

Exemple travaillé · 16

Dresser le tableau de variations de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3−3x+1f(x) = x^3 - 3x + 1 et déterminer ses extremums locaux.

1

ff est une fonction polynôme dérivable sur R\mathbb{R}. Sa dérivée est :

2
f′(x)=3x2−3=3(x2−1)=3(x−1)(x+1)f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x^2 - 1) = 3(x - 1)(x + 1)
3

Les racines de f′(x)f'(x) sont −1-1 et 11. Le coefficient dominant 33 est strictement positif : f′(x)>0f'(x) > 0 à l'extérieur des racines et f′(x)<0f'(x) < 0 entre −1-1 et 11.

4

On évalue la fonction aux points critiques : f(−1)=(−1)3−3(−1)+1=3f(-1) = (-1)^3 - 3(-1) + 1 = 3 et f(1)=13−3(1)+1=−1f(1) = 1^3 - 3(1) + 1 = -1.

x−∞-\infty-11+∞+\infty
f'(x)+0-+
f(x)↗3↘
5

ff admet un maximum local en −1-1 qui vaut 33, et un minimum local en 11 qui vaut −1-1.

Piège classique · 17

On donne le tableau de variations de la fonction dérivée f′f' sur [−3;3][-3 ; 3] : f′(x)f'(x) décroît de 22 à −3-3 sur [−3;0][-3 ; 0], puis croît de −3-3 à 00 sur [0;3][0 ; 3]. Que peut-on déduire pour le sens de variation de ff sur [−3;0][-3 ; 0] ?

Attention

Penser que parce que la dérivée f′f' décroît sur [−3;0][-3 ; 0], la fonction ff est elle-même décroissante.

À la place : C'est le signe de f′(x)f'(x) qui détermine les variations de ff, et non pas le sens de variation de f′f'. Comme f′(x)f'(x) décroît de 22 à −3-3, elle est d'abord strictement positive puis strictement négative : ff est donc croissante puis décroissante.

Vérification · 18

Soit gg une fonction dérivable sur R\mathbb{R} dont la dérivée est donnée par g′(x)=(x−2)2(x+1)g'(x) = (x - 2)^2(x + 1). La fonction gg admet-elle un extremum local en x=2x = 2 ?

Remarque

En x=2x = 2, on a bien g′(2)=0g'(2) = 0. Cependant, pour tout x>−1x > -1, le facteur (x−2)2≥0(x-2)^2 \ge 0 ne change pas de signe : g′(x)g'(x) reste positive avant et après 22. L'annulation sans changement de signe n'induit aucun extremum local.

Définition · 19

Équation de la tangente en un point

f est une fonction deˊrivable en un reˊel x0f \text{ est une fonction dérivable en un réel } x_0

y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

Le nombre dérivé f′(x0)f'(x_0) est le coefficient directeur de la tangente à la courbe de ff au point d'abscisse x0x_0. Si f′(x0)=0f'(x_0) = 0, la tangente est horizontale d'équation y=f(x0)y = f(x_0).

Exemple travaillé · 20

Soit f(x)=x2−3x+1f(x) = x^2 - 3x + 1. Déterminer l'équation de la tangente à la courbe de ff qui est parallèle à la droite d'équation y=5x−2y = 5x - 2.

1

ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme fonction polynôme. Sa dérivée est f′(x)=2x−3f'(x) = 2x - 3.

2

Une tangente est parallèle à la droite d'équation y=5x−2y = 5x - 2 si et seulement si son coefficient directeur vaut 55.

3
f′(x)=5  ⟺  2x−3=5  ⟺  2x=8  ⟺  x=4f'(x) = 5 \iff 2x - 3 = 5 \iff 2x = 8 \iff x = 4
4

On évalue la fonction au point de contact : f(4)=42−3(4)+1=5f(4) = 4^2 - 3(4) + 1 = 5.

5
y=f′(4)(x−4)+f(4)=5(x−4)+5=5x−15y = f'(4)(x - 4) + f(4) = 5(x - 4) + 5 = 5x - 15

Définition · 21

Dérivées successives

f′ est elle-meˆme deˊrivable sur un intervalle If' \text{ est elle-même dérivable sur un intervalle } I

f′′=(f′)′f'' = (f')'

La dérivée de la fonction f′f' est appelée la fonction dérivée seconde de ff, notée f′′f''. Les dérivées suivantes sont notées f′′′,…,f(n)f''', \dots, f^{(n)}.

Remarque

Toute fonction polynôme est dérivable indéfiniment sur R\mathbb{R}.

Piège classique · 22

Soit (C)(\mathscr{C}) la courbe d'une fonction ff et A(2;1)A(2 ; 1) un point du plan n'appartenant pas à (C)(\mathscr{C}). Pour déterminer les tangentes à (C)(\mathscr{C}) passant par AA, que doit-on faire ?

Attention

Calculer f′(2)f'(2) et écrire directement y=f′(2)(x−2)+1y = f'(2)(x - 2) + 1, en traitant à tort le point AA comme le point de contact de la courbe.

À la place : Puisque AA n'est pas sur la courbe, son abscisse 22 n'est pas le point de contact. On écrit l'équation de la tangente en une abscisse inconnue aa : y=f′(a)(x−a)+f(a)y = f'(a)(x - a) + f(a), puis on résout l'équation 1=f′(a)(2−a)+f(a)1 = f'(a)(2 - a) + f(a) d'inconnue aa.

Vérification · 23

Soit f(x)=x3−3x2+4f(x) = x^3 - 3x^2 + 4. En combien de points la courbe de ff admet-elle une tangente horizontale ?

Remarque

Une tangente est horizontale si et seulement si f′(x)=0f'(x) = 0. Ici f′(x)=3x2−6x=3x(x−2)f'(x) = 3x^2 - 6x = 3x(x - 2), ce qui donne exactement deux solutions distinctes : x=0x = 0 et x=2x = 2.

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