Soit f une fonction définie autour d'un point x0. Que devient le taux d'accroissement hf(x0+h)−f(x0) lorsque l'écart h devient infiniment proche de 0 ?
Ce rapport mesure le taux de variation moyen sur un intervalle de longueur h. Lorsque h tend vers 0, s'il admet une limite finie, celle-ci donne le taux de variation instantané de la fonction : c'est le nombre dérivé.
Définition · 2
Définition du nombre dérivé en un point
x0∈I ouˋI est un intervalle ouvert de R
Une fonction f est dite dérivable en x0 si le taux d'accroissement admet une limite finie lorsque h tend vers 0.
La limite est un réel fini, donc f est dérivable en 0 et f′(0)=21.
Piège classique · 5
Pour f(x)=x2, la simplification algébrique du taux d'accroissement en x0=3 donne hf(3+h)−f(3)=6+h. Que vaut le nombre dérivé f′(3) ?
Attention
Considérer que le résultat est 6+h en oubliant la limite, ou confondre avec l'image f(3)=9.
À la place : Le nombre dérivé f′(3) est la limite finie quand h→0 : limh→0(6+h)=6. C'est une valeur numérique fixe.
Vérification · 6
Soit g une fonction définie au voisinage de 1 telle que limh→0hg(1+h)−g(1)=−3. Que peut-on affirmer ?
Remarque
Par définition, l'existence d'une limite finie pour le taux d'accroissement en 1 prouve que g est dérivable en 1 et que son nombre dérivé vaut g′(1)=−3.
Point de départ · 7
Soit A(x0,f(x0)) un point fixe sur la courbe de f et M(x,f(x)) un point mobile. Que devient la droite sécante (AM) lorsque x se rapproche infiniment de x0 ?
Lorsque M se rapproche de A, la sécante (AM) pivote et tend vers une droite limite : la tangente à la courbe au point A. La pente de cette tangente est précisément la limite du taux d'accroissement, c'est-à-dire le nombre dérivé f′(x0).
Définition · 8
Équation cartésienne de la tangente
f est deˊrivable en x0
y=f′(x0)(x−x0)+f(x0)
La tangente (T) au point A(x0,f(x0)) est la droite de coefficient directeur f′(x0) passant par A. Un vecteur directeur de (T) est u(1f′(x0)).
Exemple travaillé · 9
Soit f(x)=x2−2x+3. Déterminer une équation cartésienne de la tangente (T) à la courbe de f au point d'abscisse x0=2.
1
On évalue la fonction au point d'abscisse x0=2 :
f(2)=22−2(2)+3=3
2
On calcule le nombre dérivé en 2 (avec f′(x)=2x−2) :
f′(2)=2(2)−2=2
3
On applique la formule y=f′(2)(x−2)+f(2) :
y=2(x−2)+3
4
On développe pour obtenir l'équation réduite de la tangente :
y=2x−1
Piège classique · 10
La tangente à la courbe de f au point d'abscisse x0=3 a pour équation y=2x−5. Que valent f′(3) et f(3) ?
Attention
Lire l'ordonnée à l'origine −5 et affirmer que f(3)=−5.
À la place : Le coefficient directeur donne le nombre dérivé : f′(3)=2. Le point de contact appartient à la tangente, donc son ordonnée est f(3)=2(3)−5=1.
Exemple travaillé · 11
Soit f(x)=x2−2x+3. Déterminer l'abscisse du point où la tangente à (Cf) est parallèle à la droite (D):y=4x, puis donner une équation de cette tangente.
1
Deux droites sont parallèles si et seulement si elles ont le même coefficient directeur. La droite (D) a pour pente 4.
2
On cherche l'abscisse x telle que f′(x)=4 :
2x−2=4⟺2x=6⟺x=3
3
Le point de contact a pour abscisse x0=3. On calcule son ordonnée :
f(3)=32−2(3)+3=6
4
On écrit l'équation de la tangente au point d'abscisse 3 :
y=4(x−3)+6=4x−6
Vérification · 12
La courbe de f admet au point A(−1,4) une tangente horizontale. Quelles sont les valeurs de f(−1) et f′(−1) ?
Remarque
Une droite horizontale a une pente nulle, donc f′(−1)=0. Comme la courbe passe par A(−1,4), on a f(−1)=4.
Point de départ · 13
Que se passe-t-il sur la courbe de la fonction f(x)=∣x∣ au point d'abscisse 0 ?
À gauche de 0, la droite a pour coefficient directeur −1. À droite de 0, elle a pour coefficient directeur 1. En 0, les pentes à gauche et à droite ne coïncident pas : la courbe forme une pointe (un point anguleux) et ne possède pas de tangente unique.
Définition · 14
Dérivabilité à gauche, à droite et point anguleux
f est deˊfinie sur un intervalle ouvert I contenant x0
On définit les nombres dérivés à droite et à gauche par les limites unilatérales du taux d'accroissement :
Théorème : f est dérivable en x0 si et seulement si f est dérivable à droite et à gauche en x0 avec fd′(x0)=fg′(x0). Si fd′(x0)=fg′(x0), le point A(x0,f(x0)) est appelé un point anguleux.
Exemple travaillé · 15
Soit f(x)=x∣x−1∣+1. Étudier la dérivabilité de f en x0=1 et interpréter géométriquement le résultat.
1
On évalue l'image : f(1)=1∣1−1∣+1=1.
2
Pour x>1, on a x−1>0 donc ∣x−1∣=x−1. On calcule le taux d'accroissement à droite :
x−1f(x)−f(1)=x−1x(x−1)+1−1=x−1x(x−1)=x
3
On passe à la limite à droite : limx→1+x=1, donc fd′(1)=1.
4
Pour x<1, on a x−1<0 donc ∣x−1∣=−(x−1). On calcule le taux d'accroissement à gauche :
x−1f(x)−f(1)=x−1−x(x−1)+1−1=x−1−x(x−1)=−x
5
On passe à la limite à gauche : limx→1−(−x)=−1, donc fg′(1)=−1.
6
Comme fd′(1)=1=fg′(1)=−1, la fonction f n'est pas dérivable en 1. La courbe admet au point (1,1) un point anguleux.
Exemple travaillé · 16
Soit f définie sur R par f(x)={x2−x2+3si x>1si x≤1. Montrer que f est dérivable en 1 et déterminer f′(1).
1
On calcule l'image en 1 avec la branche x≤1 : f(1)=−(1)2+3=2.
2
À gauche (x<1) : on forme le taux d'accroissement et on factorise :
On calcule la limite à gauche : limx→1−−(1+x)=−2, d'où fg′(1)=−2.
4
À droite (x>1) : on forme le taux d'accroissement et on réduit au même dénominateur :
x−1f(x)−f(1)=x−1x2−2=x−1x2(1−x)=−x2
5
On calcule la limite à droite : limx→1+−x2=−2, d'où fd′(1)=−2.
6
Puisque fg′(1)=fd′(1)=−2, la fonction f est dérivable en 1 et f′(1)=−2.
Piège classique · 17
Une fonction f admet des dérivées latérales en 0 données par fd′(0)=2 et fg′(0)=−2. La fonction f est-elle dérivable en 0 ?
Attention
Penser que l'existence de limites latérales finies suffit à assurer la dérivabilité globale.
À la place : Pour que f soit dérivable en x0, il faut obligatoirement que fd′(x0)=fg′(x0). Ici, 2=−2, donc f n'est pas dérivable en 0 : la courbe présente un point anguleux.
Vérification · 18
Soit g une fonction définie au voisinage de 2 telle que gd′(2)=4 et gg′(2)=4. Que peut-on conclure ?
Remarque
Les nombres dérivés à gauche et à droite existent et sont égaux à 4. Donc g est dérivable en 2 et g′(2)=4.
Point de départ · 19
Pour la fonction f(x)=x en x0=0, le taux d'accroissement à droite donne xx−0=x1. Que devient ce rapport quand x tend vers 0+ ?
Le quotient tend vers +∞. La droite sécante se redresse jusqu'à devenir parfaitement verticale. Comme la limite n'est pas un nombre réel fini, la fonction n'est pas dérivable en 0, mais sa courbe admet une demi-tangente verticale.
Définition · 20
Demi-tangente verticale et lien Continuité-Dérivabilité
a∈I et limx→a+x−af(x)−f(a)=+∞ (ou −∞)
f n’est pas deˊrivable en a, mais (Cf) admet en A(a,f(a)) une demi-tangente verticale.
Théorème fondamental : Si f est dérivable en x0, alors f est continue en x0. La réciproque est fausse : une fonction peut être continue en un point sans y être dérivable (présence d'un point anguleux ou d'une demi-tangente verticale).
Exemple travaillé · 21
Soit f(x)=x. Étudier la dérivabilité de f à droite en 0 et interpréter géométriquement le résultat.
1
On évalue l'image : f(0)=0=0.
2
Pour tout x>0, on forme le taux d'accroissement :
x−0f(x)−f(0)=xx
3
Puisque x=(x)2 pour x>0, on simplifie par x :
xx=x1
4
On calcule la limite quand x→0+ :
x→0+limx1=+∞
5
La limite est infinie, donc f n'est pas dérivable à droite en 0. La courbe (Cf) admet à l'origine une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.
Piège classique · 22
Si une fonction f est continue en x0, est-elle nécessairement dérivable en x0 ?
Attention
Penser que continuité et dérivabilité sont équivalentes ou que la continuité garantit la dérivabilité.
À la place : La continuité est nécessaire mais pas suffisante : f(x)=∣x∣ et f(x)=x sont continues en 0, mais aucune des deux n'y est dérivable (point anguleux pour l'une, demi-tangente verticale pour l'autre).
Vérification · 23
Une fonction g vérifie limx→2+x−2g(x)−g(2)=−∞. Que peut-on affirmer ?
Remarque
La limite du taux d'accroissement n'est pas un nombre réel fini, donc g n'est pas dérivable à droite en 2. La courbe admet en ce point une demi-tangente verticale.
Point de départ · 24
Pour dériver le produit f(x)=x×x=x2, peut-on simplement multiplier les dérivées de chaque facteur, c'est-à-dire (x)′×(x)′ ?
Non : la dérivée de x2 est 2x, alors que (x)′×(x)′=1×1=1. La dérivation d'un produit ne s'obtient pas en multipliant les dérivées : elle suit une règle spécifique, (uv)′=u′v+uv′.
Définition · 25
Règles opératoires de dérivation
u et v sont deˊrivables sur un intervalle I
(u+v)′=u′+v′;(λu)′=λu′(λ∈R)
(uv)′=u′v+uv′
v(x)=0 pour tout x∈I
(v1)′=−v2v′;(vu)′=v2u′v−uv′
Toute fonction polynôme est dérivable sur R. Toute fonction rationnelle est dérivable sur chaque intervalle de son domaine de définition.
Exemple travaillé · 26
Soit f(x)=2x+52x2−x−1. Déterminer le domaine de dérivabilité de f et calculer f′(x).
1
La fonction f est une fraction rationnelle. Son dénominateur s'annule en x=−25. Elle est donc dérivable sur :
Df′=R∖{−25}
2
On pose u(x)=2x2−x−1 et v(x)=2x+5. On a u′(x)=4x−1 et v′(x)=2.
3
On applique la formule du quotient (vu)′=v2u′v−uv′ :
f′(x)=(2x+5)2(4x−1)(2x+5)−(2x2−x−1)(2)
4
On développe le numérateur en conservant les parenthèses :
f′(x)=(2x+5)2(8x2+20x−2x−5)−(4x2−2x−2)
5
On réduit les termes semblables :
f′(x)=(2x+5)24x2+20x−3
Exemple travaillé · 27
Soit f(x)=xx. Déterminer le domaine de dérivabilité de f et calculer sa fonction dérivée f′(x).
1
La fonction x↦x est dérivable sur R et x↦x est dérivable sur ]0;+∞[. Par produit, f est dérivable sur :
Df′=]0;+∞[
2
On applique la formule (uv)′=u′v+uv′ avec u(x)=x et v(x)=x :
f′(x)=1×x+x×2x1
3
Pour tout x>0, on simplifie xx=x :
f′(x)=x+21x=23x
Piège classique · 28
Quelle est la dérivée de la fonction f(x)=3x−71 sur son domaine de définition ?
Attention
Oublier le signe moins ou la dérivée interne et écrire (3x−7)21 ou (3x−7)23.
À la place : La dérivée de v1 est −v2v′. Avec v(x)=3x−7, on a v′(x)=3, donc f′(x)=−(3x−7)23.
Vérification · 29
Soit g(x)=(2x−3)(x2+1). Que vaut g′(x) pour tout x∈R ?
Remarque
On applique (uv)′=u′v+uv′ : g′(x)=2(x2+1)+(2x−3)(2x)=2x2+2+4x2−6x=6x2−6x+2.
Point de départ · 30
Si on dérive la fonction f(x)=cos(3x), obtient-on simplement −sin(3x) ?
Non : l'expression 3x varie 3 fois plus vite que la variable x. Lors de la dérivation d'une fonction composée, il faut obligatoirement multiplier par le coefficient de la transformation interne a=3 : la dérivée exacte est −3sin(3x).
Définition · 31
Dérivée des fonctions composées : f(ax+b), u et un
f est deˊrivable sur I et pour tout x∈J,ax+b∈I
g(x)=f(ax+b)⟹g′(x)=a⋅f′(ax+b)
u est deˊrivable et strictement positive sur I(u(x)>0)
(u)′=2uu′
u est deˊrivable sur I et n∈Z∗
(un)′=n⋅u′⋅un−1
Exemple travaillé · 32
Soit f(x)=2x+1. Déterminer l'ensemble de dérivabilité de f et calculer sa dérivée f′(x).
1
La fonction sous le radical u(x)=2x+1 est affine, dérivable sur R.
2
Pour la dérivabilité de u, il faut que l'expression sous la racine soit strictement positive :
2x+1>0⟺2x>−1⟺x>−21
3
La fonction f est donc dérivable sur :
Df′=]−21;+∞[
4
On a u′(x)=2. On applique la formule (u)′=2uu′ :
f′(x)=22x+12=2x+11
Piège classique · 33
Quelle est la dérivée de la fonction f(x)=(3x−4)3 sur R ?
Attention
Dériver uniquement l'exposant en écrivant 3(3x−4)2, en oubliant la dérivée de l'expression interne 3x−4.
À la place : La formule est (un)′=n⋅u′⋅un−1. Avec u(x)=3x−4, on a u′(x)=3. La dérivée est donc 3×3×(3x−4)2=9(3x−4)2.
Exemple travaillé · 34
Soit f(x)=2cos(3x−4π). Déterminer la fonction dérivée f′(x) sur R.
1
La fonction est de la forme x↦2cos(ax+b) avec a=3 et b=−4π.
2
La dérivée de cos(ax+b) est −asin(ax+b).
3
On applique la règle en conservant le facteur constant 2 :
f′(x)=2×(−3sin(3x−4π))
4
On simplifie l'écriture :
f′(x)=−6sin(3x−4π)
Vérification · 35
Soit g(x)=4x2+1. Quelle est l'expression de g′(x) pour tout x∈R ?
Remarque
On pose u(x)=4x2+1>0 sur R, d'où u′(x)=8x. On applique (u)′=2uu′=24x2+18x=4x2+14x.
Point de départ · 36
Comment estimer rapidement (1,001)2 sans calculatrice ni calcul posé lourd ?
En développant (1+h)2=1+2h+h2, lorsque h=0,001, le terme h2=0,000001 devient négligeable. On peut approcher (1+h)2 par 1+2h, ce qui donne immédiatement 1+2(0,001)=1,002 : c'est le principe de l'approximation affine.
Définition · 37
Approximation affine au voisinage d'un point
f est deˊrivable en x0 et h est voisin de 0
f(x0+h)≈f(x0)+f′(x0)h
Formules d'approximations affines usuelles au voisinage de 0 (h proche de 0) :
(1+h)n≈1+nh(n∈N∗);1+h1≈1−h;1+h≈1+21h
Exemple travaillé · 38
Soit f(x)=3x+1. Déterminer l'approximation affine de f en 0, puis en déduire une valeur approchée de 1,00048.
1
La fonction f est dérivable sur ]−31;+∞[ et sa dérivée est :
f′(x)=23x+13
2
On calcule les images en 0 : f(0)=1 et f′(0)=23.
3
L'approximation affine au voisinage de 0 est f(h)≈f(0)+f′(0)h :
3h+1≈1+23h
4
Pour approcher 1,00048, on cherche h tel que 3h+1=1,00048 :
3h=0,00048⟺h=0,00016
5
On évalue l'approximation avec h=0,00016 :
1,00048≈1+23(0,00016)=1+0,00024=1,00024
Exemple travaillé · 39
Soit X=a2+h=a1+a2h avec a>0. Utiliser l'approximation affine de 1+x en 0 pour donner une valeur approchée de 420.
1
Au voisinage de 0, 1+x≈1+21x. Avec x=a2h, on obtient :
X≈a(1+2a2h)=a+2ah
2
On cherche le carré parfait le plus proche de 420 :
420=400+20=202+20
3
On identifie a=20 et h=20. Le rapport a2h=40020=0,05 est bien proche de 0.
4
On applique la formule d'approximation a+2ah :
420≈20+2(20)20=20+0,5=20,5
Piège classique · 40
Pour estimer 3x+1=1,00048 avec la formule 3h+1≈1+23h, quelle valeur de h doit-on remplacer ?
Attention
Prendre directement l'écart brut h=0,00048 sans tenir compte du coefficient 3 devant h.
À la place : L'expression est 3h+1=1,00048, ce qui impose 3h=0,00048, c'est-à-dire h=30,00048=0,00016.
Vérification · 41
En utilisant l'approximation affine usuelle (1+h)4≈1+4h, quelle est la valeur approchée de (1,002)4 ?
Remarque
On identifie h=0,002. On applique la formule : (1+0,002)4≈1+4(0,002)=1+0,008=1,008.
Point de départ · 42
Si la dérivée première de la position x(t) donne la vitesse instantanée v(t)=x′(t), comment obtient-on l'accélération instantanée a(t) d'un mobile ?
L'accélération mesure la variation instantanée de la vitesse au cours du temps. On dérive donc à nouveau la fonction vitesse : a(t)=v′(t)=(x′(t))′. Cette opération consistant à dériver deux fois de suite définit la dérivée seconde, notée f′′.
Définition · 43
Définition de la dérivée seconde
f est deˊrivable sur un intervalle I et f′ est elle-meˆme deˊrivable sur I
f′′=(f′)′
La fonction f est dite deux fois dérivable sur I. La fonction dérivée de f′ est appelée la dérivée seconde de f et se note f′′.
Exemple travaillé · 44
Soit f(x)=2cos(3x) définie sur R. Calculer la dérivée première f′(x), puis la dérivée seconde f′′(x).
1
La fonction f est dérivable sur R comme fonction trigonométrique composée.
2
On applique la règle [cos(ax)]′=−asin(ax) avec a=3 :
f′(x)=2×(−3sin(3x))=−6sin(3x)
3
La fonction f′ est à son tour dérivable sur R. On dérive f′ en appliquant [sin(ax)]′=acos(ax) :
f′′(x)=−6×(3cos(3x))
4
On simplifie le produit :
f′′(x)=−18cos(3x)
Exemple travaillé · 45
Soit f(x)=x définie sur [0;+∞[. Justifier que f est deux fois dérivable sur ]0;+∞[ et calculer f′′(x).
1
Pour tout x>0, la dérivée première de la fonction racine carrée est :
f′(x)=2x1
2
La fonction v(x)=2x est dérivable et ne s'annule pas sur ]0;+∞[, donc f′=v1 est dérivable sur ]0;+∞[.
3
On applique la formule (v1)′=−v2v′ avec v′(x)=2×2x1=x1 :
f′′(x)=−(2x)2x1=−4xx1
4
On simplifie l'expression rationnelle :
f′′(x)=−4xx1
Piège classique · 46
Pour f(x)=2cos(3x), on a f′(x)=−6sin(3x). Que vaut la dérivée seconde f′′(x) ?
Attention
Oublier de multiplier à nouveau par le coefficient interne 3 et écrire f′′(x)=−6cos(3x).
À la place : Chaque dérivation successive d'une fonction composée applique la dérivée interne : la dérivée de sin(3x) est 3cos(3x), donc f′′(x)=−6×3cos(3x)=−18cos(3x).
Vérification · 47
Soit f(x)=x4−2x2+5. Quelle est l'expression de la dérivée seconde f′′(x) sur R ?
Remarque
On calcule la dérivée première : f′(x)=4x3−4x. On dérive à nouveau : f′′(x)=4(3x2)−4=12x2−4.