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Dérivabilité — cours

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

Le cours

Point de départ · 1

Soit ff une fonction définie autour d'un point x0x_0. Que devient le taux d'accroissement f(x0+h)f(x0)h\frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h} lorsque l'écart hh devient infiniment proche de 00 ?

Ce rapport mesure le taux de variation moyen sur un intervalle de longueur hh. Lorsque hh tend vers 00, 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

x0I ouˋ I est un intervalle ouvert de Rx_0 \in I \text{ où } I \text{ est un intervalle ouvert de } \mathbb{R}

Une fonction ff est dite dérivable en x0x_0 si le taux d'accroissement admet une limite finie lorsque hh tend vers 00.

f(x0)=limh0f(x0+h)f(x0)h=limxx0f(x)f(x0)xx0f'(x_0) = \lim_{h\to 0} \frac{f(x_0+h)-f(x_0)}{h} = \lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

Vocabulaire

  • Nombre dérivé de ff en x0x_0f(x0)f'(x_0)

Exemple travaillé · 3

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x22x+4f(x) = x^2 - 2x + 4. En utilisant la définition, montrer que ff est dérivable en x0=2x_0 = 2 et déterminer f(2)f'(2).

1

On évalue l'image en x0=2x_0 = 2 :

f(2)=222(2)+4=4f(2) = 2^2 - 2(2) + 4 = 4
2

Pour tout réel h0h \neq 0, on forme le taux d'accroissement :

f(2+h)f(2)h=(2+h)22(2+h)+44h\frac{f(2+h)-f(2)}{h} = \frac{(2+h)^2 - 2(2+h) + 4 - 4}{h}
3

On développe le numérateur et on simplifie par hh :

4+4h+h242hh=h2+2hh=h+2\frac{4 + 4h + h^2 - 4 - 2h}{h} = \frac{h^2 + 2h}{h} = h + 2
4

On calcule la limite quand hh tend vers 00 :

limh0(h+2)=2\lim_{h\to 0} (h+2) = 2
5

La limite est un réel fini, donc ff est dérivable en 22 et f(2)=2f'(2) = 2.

Exemple travaillé · 4

Soit f(x)=x+1f(x) = \sqrt{x+1} définie sur [1;+[[-1; +\infty[. Montrer que ff est dérivable en 00 et calculer f(0)f'(0).

1

On calcule l'image en 00 :

f(0)=0+1=1f(0) = \sqrt{0+1} = 1
2

Pour h0h \neq 0, on écrit le taux d'accroissement :

f(h)f(0)h=h+11h\frac{f(h)-f(0)}{h} = \frac{\sqrt{h+1}-1}{h}
3

On multiplie numérateur et dénominateur par l'expression conjuguée (h+1+1)(\sqrt{h+1}+1) :

(h+11)(h+1+1)h(h+1+1)=h+11h(h+1+1)=1h+1+1\frac{(\sqrt{h+1}-1)(\sqrt{h+1}+1)}{h(\sqrt{h+1}+1)} = \frac{h+1-1}{h(\sqrt{h+1}+1)} = \frac{1}{\sqrt{h+1}+1}
4

On passe à la limite quand hh tend vers 00 :

limh01h+1+1=11+1=12\lim_{h\to 0} \frac{1}{\sqrt{h+1}+1} = \frac{1}{\sqrt{1}+1} = \frac{1}{2}
5

La limite est un réel fini, donc ff est dérivable en 00 et f(0)=12f'(0) = \frac{1}{2}.

Piège classique · 5

Pour f(x)=x2f(x) = x^2, la simplification algébrique du taux d'accroissement en x0=3x_0 = 3 donne f(3+h)f(3)h=6+h\frac{f(3+h)-f(3)}{h} = 6 + h. Que vaut le nombre dérivé f(3)f'(3) ?

Attention

Considérer que le résultat est 6+h6+h en oubliant la limite, ou confondre avec l'image f(3)=9f(3) = 9.

À la place : Le nombre dérivé f(3)f'(3) est la limite finie quand h0h \to 0 : limh0(6+h)=6\lim_{h\to 0}(6+h) = 6. C'est une valeur numérique fixe.

Vérification · 6

Soit gg une fonction définie au voisinage de 11 telle que limh0g(1+h)g(1)h=3\lim_{h\to 0}\frac{g(1+h)-g(1)}{h} = -3. Que peut-on affirmer ?

Remarque

Par définition, l'existence d'une limite finie pour le taux d'accroissement en 11 prouve que gg est dérivable en 11 et que son nombre dérivé vaut g(1)=3g'(1) = -3.

Point de départ · 7

Soit A(x0,f(x0))A(x_0, f(x_0)) un point fixe sur la courbe de ff et M(x,f(x))M(x, f(x)) un point mobile. Que devient la droite sécante (AM)(AM) lorsque xx se rapproche infiniment de x0x_0 ?

Lorsque MM se rapproche de AA, la sécante (AM)(AM) pivote et tend vers une droite limite : la tangente à la courbe au point AA. La pente de cette tangente est précisément la limite du taux d'accroissement, c'est-à-dire le nombre dérivé f(x0)f'(x_0).

Définition · 8

Équation cartésienne de la tangente

f est deˊrivable en x0f \text{ est dérivable en } x_0

y=f(x0)(xx0)+f(x0)y = f'(x_0)(x - x_0) + f(x_0)

La tangente (T)(T) au point A(x0,f(x0))A(x_0, f(x_0)) est la droite de coefficient directeur f(x0)f'(x_0) passant par AA. Un vecteur directeur de (T)(T) est u(1f(x0))\vec{u}\begin{pmatrix}1 \\ f'(x_0)\end{pmatrix}.

Exemple travaillé · 9

Soit f(x)=x22x+3f(x) = x^2 - 2x + 3. Déterminer une équation cartésienne de la tangente (T)(T) à la courbe de ff au point d'abscisse x0=2x_0 = 2.

1

On évalue la fonction au point d'abscisse x0=2x_0 = 2 :

f(2)=222(2)+3=3f(2) = 2^2 - 2(2) + 3 = 3
2

On calcule le nombre dérivé en 22 (avec f(x)=2x2f'(x) = 2x - 2) :

f(2)=2(2)2=2f'(2) = 2(2) - 2 = 2
3

On applique la formule y=f(2)(x2)+f(2)y = f'(2)(x - 2) + f(2) :

y=2(x2)+3y = 2(x - 2) + 3
4

On développe pour obtenir l'équation réduite de la tangente :

y=2x1y = 2x - 1

Piège classique · 10

La tangente à la courbe de ff au point d'abscisse x0=3x_0 = 3 a pour équation y=2x5y = 2x - 5. Que valent f(3)f'(3) et f(3)f(3) ?

Attention

Lire l'ordonnée à l'origine 5-5 et affirmer que f(3)=5f(3) = -5.

À la place : Le coefficient directeur donne le nombre dérivé : f(3)=2f'(3) = 2. Le point de contact appartient à la tangente, donc son ordonnée est f(3)=2(3)5=1f(3) = 2(3) - 5 = 1.

Exemple travaillé · 11

Soit f(x)=x22x+3f(x) = x^2 - 2x + 3. Déterminer l'abscisse du point où la tangente à (Cf)(C_f) est parallèle à la droite (D):y=4x(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)(D) a pour pente 44.

2

On cherche l'abscisse xx telle que f(x)=4f'(x) = 4 :

2x2=4    2x=6    x=32x - 2 = 4 \iff 2x = 6 \iff x = 3
3

Le point de contact a pour abscisse x0=3x_0 = 3. On calcule son ordonnée :

f(3)=322(3)+3=6f(3) = 3^2 - 2(3) + 3 = 6
4

On écrit l'équation de la tangente au point d'abscisse 33 :

y=4(x3)+6=4x6y = 4(x - 3) + 6 = 4x - 6

Vérification · 12

La courbe de ff admet au point A(1,4)A(-1, 4) une tangente horizontale. Quelles sont les valeurs de f(1)f(-1) et f(1)f'(-1) ?

Remarque

Une droite horizontale a une pente nulle, donc f(1)=0f'(-1) = 0. Comme la courbe passe par A(1,4)A(-1, 4), on a f(1)=4f(-1) = 4.

Point de départ · 13

Que se passe-t-il sur la courbe de la fonction f(x)=xf(x) = |x| au point d'abscisse 00 ?

À gauche de 00, la droite a pour coefficient directeur 1-1. À droite de 00, elle a pour coefficient directeur 11. En 00, 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 x0f \text{ est définie sur un intervalle ouvert } I \text{ contenant } x_0

On définit les nombres dérivés à droite et à gauche par les limites unilatérales du taux d'accroissement :

fd(x0)=limxx0+f(x)f(x0)xx0etfg(x0)=limxx0f(x)f(x0)xx0f'_d(x_0) = \lim_{x\to x_0^+} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} \quad \text{et} \quad f'_g(x_0) = \lim_{x\to x_0^-} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

Théorème : ff est dérivable en x0x_0 si et seulement si ff est dérivable à droite et à gauche en x0x_0 avec fd(x0)=fg(x0)f'_d(x_0) = f'_g(x_0). Si fd(x0)fg(x0)f'_d(x_0) \neq f'_g(x_0), le point A(x0,f(x0))A(x_0, f(x_0)) est appelé un point anguleux.

Exemple travaillé · 15

Soit f(x)=xx1+1f(x) = x|x-1| + 1. Étudier la dérivabilité de ff en x0=1x_0 = 1 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On évalue l'image : f(1)=111+1=1f(1) = 1|1-1| + 1 = 1.

2

Pour x>1x > 1, on a x1>0x - 1 > 0 donc x1=x1|x-1| = x-1. On calcule le taux d'accroissement à droite :

f(x)f(1)x1=x(x1)+11x1=x(x1)x1=x\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \frac{x(x-1)+1-1}{x-1} = \frac{x(x-1)}{x-1} = x
3

On passe à la limite à droite : limx1+x=1\lim_{x\to 1^+} x = 1, donc fd(1)=1f'_d(1) = 1.

4

Pour x<1x < 1, on a x1<0x - 1 < 0 donc x1=(x1)|x-1| = -(x-1). On calcule le taux d'accroissement à gauche :

f(x)f(1)x1=x(x1)+11x1=x(x1)x1=x\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \frac{-x(x-1)+1-1}{x-1} = \frac{-x(x-1)}{x-1} = -x
5

On passe à la limite à gauche : limx1(x)=1\lim_{x\to 1^-} (-x) = -1, donc fg(1)=1f'_g(1) = -1.

6

Comme fd(1)=1fg(1)=1f'_d(1) = 1 \neq f'_g(1) = -1, la fonction ff n'est pas dérivable en 11. La courbe admet au point (1,1)(1, 1) un point anguleux.

Exemple travaillé · 16

Soit ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)={2xsi x>1x2+3si x1f(x) = \begin{cases} \frac{2}{x} & \text{si } x > 1 \\ -x^2+3 & \text{si } x \le 1 \end{cases}. Montrer que ff est dérivable en 11 et déterminer f(1)f'(1).

1

On calcule l'image en 11 avec la branche x1x \le 1 : f(1)=(1)2+3=2f(1) = -(1)^2 + 3 = 2.

2

À gauche (x<1x < 1) : on forme le taux d'accroissement et on factorise :

f(x)f(1)x1=x2+32x1=1x2x1=(1x)(1+x)x1=(1+x)\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \frac{-x^2+3-2}{x-1} = \frac{1-x^2}{x-1} = \frac{(1-x)(1+x)}{x-1} = -(1+x)
3

On calcule la limite à gauche : limx1(1+x)=2\lim_{x\to 1^-} -(1+x) = -2, d'où fg(1)=2f'_g(1) = -2.

4

À droite (x>1x > 1) : on forme le taux d'accroissement et on réduit au même dénominateur :

f(x)f(1)x1=2x2x1=2(1x)xx1=2x\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \frac{\frac{2}{x}-2}{x-1} = \frac{\frac{2(1-x)}{x}}{x-1} = -\frac{2}{x}
5

On calcule la limite à droite : limx1+2x=2\lim_{x\to 1^+} -\frac{2}{x} = -2, d'où fd(1)=2f'_d(1) = -2.

6

Puisque fg(1)=fd(1)=2f'_g(1) = f'_d(1) = -2, la fonction ff est dérivable en 11 et f(1)=2f'(1) = -2.

Piège classique · 17

Une fonction ff admet des dérivées latérales en 00 données par fd(0)=2f'_d(0) = 2 et fg(0)=2f'_g(0) = -2. La fonction ff est-elle dérivable en 00 ?

Attention

Penser que l'existence de limites latérales finies suffit à assurer la dérivabilité globale.

À la place : Pour que ff soit dérivable en x0x_0, il faut obligatoirement que fd(x0)=fg(x0)f'_d(x_0) = f'_g(x_0). Ici, 222 \neq -2, donc ff n'est pas dérivable en 00 : la courbe présente un point anguleux.

Vérification · 18

Soit gg une fonction définie au voisinage de 22 telle que gd(2)=4g'_d(2) = 4 et gg(2)=4g'_g(2) = 4. Que peut-on conclure ?

Remarque

Les nombres dérivés à gauche et à droite existent et sont égaux à 44. Donc gg est dérivable en 22 et g(2)=4g'(2) = 4.

Point de départ · 19

Pour la fonction f(x)=xf(x) = \sqrt{x} en x0=0x_0 = 0, le taux d'accroissement à droite donne x0x=1x\frac{\sqrt{x}-0}{x} = \frac{1}{\sqrt{x}}. Que devient ce rapport quand xx tend vers 0+0^+ ?

Le quotient tend vers ++\infty. 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 00, mais sa courbe admet une demi-tangente verticale.

Définition · 20

Demi-tangente verticale et lien Continuité-Dérivabilité

aI et limxa+f(x)f(a)xa=+ (ou )a \in I \text{ et } \lim_{x\to a^+} \frac{f(x)-f(a)}{x-a} = +\infty \text{ (ou } -\infty\text{)}

f n’est pas deˊrivable en a, mais (Cf) admet en A(a,f(a)) une demi-tangente verticale.f \text{ n'est pas dérivable en } a, \text{ mais } (C_f) \text{ admet en } A(a, f(a)) \text{ une demi-tangente verticale.}

Théorème fondamental : Si ff est dérivable en x0x_0, alors ff est continue en x0x_0. 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)=xf(x) = \sqrt{x}. Étudier la dérivabilité de ff à droite en 00 et interpréter géométriquement le résultat.

1

On évalue l'image : f(0)=0=0f(0) = \sqrt{0} = 0.

2

Pour tout x>0x > 0, on forme le taux d'accroissement :

f(x)f(0)x0=xx\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \frac{\sqrt{x}}{x}
3

Puisque x=(x)2x = (\sqrt{x})^2 pour x>0x > 0, on simplifie par x\sqrt{x} :

xx=1x\frac{\sqrt{x}}{x} = \frac{1}{\sqrt{x}}
4

On calcule la limite quand x0+x \to 0^+ :

limx0+1x=+\lim_{x\to 0^+} \frac{1}{\sqrt{x}} = +\infty
5

La limite est infinie, donc ff n'est pas dérivable à droite en 00. La courbe (Cf)(C_f) admet à l'origine une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Piège classique · 22

Si une fonction ff est continue en x0x_0, est-elle nécessairement dérivable en x0x_0 ?

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)=xf(x) = |x| et f(x)=xf(x) = \sqrt{x} sont continues en 00, mais aucune des deux n'y est dérivable (point anguleux pour l'une, demi-tangente verticale pour l'autre).

Vérification · 23

Une fonction gg vérifie limx2+g(x)g(2)x2=\lim_{x\to 2^+} \frac{g(x)-g(2)}{x-2} = -\infty. Que peut-on affirmer ?

Remarque

La limite du taux d'accroissement n'est pas un nombre réel fini, donc gg n'est pas dérivable à droite en 22. La courbe admet en ce point une demi-tangente verticale.

Point de départ · 24

Pour dériver le produit f(x)=x×x=x2f(x) = x \times x = x^2, peut-on simplement multiplier les dérivées de chaque facteur, c'est-à-dire (x)×(x)(x)' \times (x)' ?

Non : la dérivée de x2x^2 est 2x2x, alors que (x)×(x)=1×1=1(x)' \times (x)' = 1 \times 1 = 1. La dérivation d'un produit ne s'obtient pas en multipliant les dérivées : elle suit une règle spécifique, (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'.

Définition · 25

Règles opératoires de dérivation

u et v sont deˊrivables sur un intervalle Iu \text{ et } v \text{ sont dérivables sur un intervalle } I

(u+v)=u+v;(λu)=λu(λR)(u+v)' = u' + v' \quad ; \quad (\lambda u)' = \lambda u' \quad (\lambda \in \mathbb{R})

(uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'

v(x)0 pour tout xIv(x) \neq 0 \text{ pour tout } x \in I

(1v)=vv2;(uv)=uvuvv2\left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{v^2} \quad ; \quad \left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}

Toute fonction polynôme est dérivable sur R\mathbb{R}. Toute fonction rationnelle est dérivable sur chaque intervalle de son domaine de définition.

Exemple travaillé · 26

Soit f(x)=2x2x12x+5f(x) = \frac{2x^2-x-1}{2x+5}. Déterminer le domaine de dérivabilité de ff et calculer f(x)f'(x).

1

La fonction ff est une fraction rationnelle. Son dénominateur s'annule en x=52x = -\frac{5}{2}. Elle est donc dérivable sur :

Df=R{52}D_{f'} = \mathbb{R} \setminus \left\{-\frac{5}{2}\right\}
2

On pose u(x)=2x2x1u(x) = 2x^2 - x - 1 et v(x)=2x+5v(x) = 2x + 5. On a u(x)=4x1u'(x) = 4x - 1 et v(x)=2v'(x) = 2.

3

On applique la formule du quotient (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} :

f(x)=(4x1)(2x+5)(2x2x1)(2)(2x+5)2f'(x) = \frac{(4x-1)(2x+5) - (2x^2-x-1)(2)}{(2x+5)^2}
4

On développe le numérateur en conservant les parenthèses :

f(x)=(8x2+20x2x5)(4x22x2)(2x+5)2f'(x) = \frac{(8x^2 + 20x - 2x - 5) - (4x^2 - 2x - 2)}{(2x+5)^2}
5

On réduit les termes semblables :

f(x)=4x2+20x3(2x+5)2f'(x) = \frac{4x^2 + 20x - 3}{(2x+5)^2}

Exemple travaillé · 27

Soit f(x)=xxf(x) = x\sqrt{x}. Déterminer le domaine de dérivabilité de ff et calculer sa fonction dérivée f(x)f'(x).

1

La fonction xxx \mapsto x est dérivable sur R\mathbb{R} et xxx \mapsto \sqrt{x} est dérivable sur ]0;+[]0; +\infty[. Par produit, ff est dérivable sur :

Df=]0;+[D_{f'} = ]0; +\infty[
2

On applique la formule (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' avec u(x)=xu(x) = x et v(x)=xv(x) = \sqrt{x} :

f(x)=1×x+x×12xf'(x) = 1 \times \sqrt{x} + x \times \frac{1}{2\sqrt{x}}
3

Pour tout x>0x > 0, on simplifie xx=x\frac{x}{\sqrt{x}} = \sqrt{x} :

f(x)=x+12x=32xf'(x) = \sqrt{x} + \frac{1}{2}\sqrt{x} = \frac{3}{2}\sqrt{x}

Piège classique · 28

Quelle est la dérivée de la fonction f(x)=13x7f(x) = \frac{1}{3x-7} sur son domaine de définition ?

Attention

Oublier le signe moins ou la dérivée interne et écrire 1(3x7)2\frac{1}{(3x-7)^2} ou 3(3x7)2\frac{3}{(3x-7)^2}.

À la place : La dérivée de 1v\frac{1}{v} est vv2-\frac{v'}{v^2}. Avec v(x)=3x7v(x) = 3x-7, on a v(x)=3v'(x) = 3, donc f(x)=3(3x7)2f'(x) = -\frac{3}{(3x-7)^2}.

Vérification · 29

Soit g(x)=(2x3)(x2+1)g(x) = (2x-3)(x^2+1). Que vaut g(x)g'(x) pour tout xRx \in \mathbb{R} ?

Remarque

On applique (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' : g(x)=2(x2+1)+(2x3)(2x)=2x2+2+4x26x=6x26x+2g'(x) = 2(x^2+1) + (2x-3)(2x) = 2x^2 + 2 + 4x^2 - 6x = 6x^2 - 6x + 2.

Point de départ · 30

Si on dérive la fonction f(x)=cos(3x)f(x) = \cos(3x), obtient-on simplement sin(3x)-\sin(3x) ?

Non : l'expression 3x3x varie 3 fois plus vite que la variable xx. Lors de la dérivation d'une fonction composée, il faut obligatoirement multiplier par le coefficient de la transformation interne a=3a = 3 : la dérivée exacte est 3sin(3x)-3\sin(3x).

Définition · 31

Dérivée des fonctions composées : f(ax+b)f(ax+b), u\sqrt{u} et unu^n

f est deˊrivable sur I et pour tout xJ,  ax+bIf \text{ est dérivable sur } I \text{ et pour tout } x \in J, \; ax+b \in I

g(x)=f(ax+b)    g(x)=af(ax+b)g(x) = f(ax+b) \implies g'(x) = a \cdot f'(ax+b)

u est deˊrivable et strictement positive sur I  (u(x)>0)u \text{ est dérivable et strictement positive sur } I \; (u(x) > 0)

(u)=u2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}}

u est deˊrivable sur I et nZu \text{ est dérivable sur } I \text{ et } n \in \mathbb{Z}^*

(un)=nuun1(u^n)' = n \cdot u' \cdot u^{n-1}

Exemple travaillé · 32

Soit f(x)=2x+1f(x) = \sqrt{2x+1}. Déterminer l'ensemble de dérivabilité de ff et calculer sa dérivée f(x)f'(x).

1

La fonction sous le radical u(x)=2x+1u(x) = 2x+1 est affine, dérivable sur R\mathbb{R}.

2

Pour la dérivabilité de u\sqrt{u}, il faut que l'expression sous la racine soit strictement positive :

2x+1>0    2x>1    x>122x + 1 > 0 \iff 2x > -1 \iff x > -\frac{1}{2}
3

La fonction ff est donc dérivable sur :

Df=]12;+[D_{f'} = \left]-\frac{1}{2}; +\infty\right[
4

On a u(x)=2u'(x) = 2. On applique la formule (u)=u2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} :

f(x)=222x+1=12x+1f'(x) = \frac{2}{2\sqrt{2x+1}} = \frac{1}{\sqrt{2x+1}}

Piège classique · 33

Quelle est la dérivée de la fonction f(x)=(3x4)3f(x) = (3x-4)^3 sur R\mathbb{R} ?

Attention

Dériver uniquement l'exposant en écrivant 3(3x4)23(3x-4)^2, en oubliant la dérivée de l'expression interne 3x43x-4.

À la place : La formule est (un)=nuun1(u^n)' = n \cdot u' \cdot u^{n-1}. Avec u(x)=3x4u(x) = 3x-4, on a u(x)=3u'(x) = 3. La dérivée est donc 3×3×(3x4)2=9(3x4)23 \times 3 \times (3x-4)^2 = 9(3x-4)^2.

Exemple travaillé · 34

Soit f(x)=2cos(3xπ4)f(x) = 2\cos\left(3x - \frac{\pi}{4}\right). Déterminer la fonction dérivée f(x)f'(x) sur R\mathbb{R}.

1

La fonction est de la forme x2cos(ax+b)x \mapsto 2\cos(ax+b) avec a=3a = 3 et b=π4b = -\frac{\pi}{4}.

2

La dérivée de cos(ax+b)\cos(ax+b) est asin(ax+b)-a\sin(ax+b).

3

On applique la règle en conservant le facteur constant 22 :

f(x)=2×(3sin(3xπ4))f'(x) = 2 \times \left(-3\sin\left(3x - \frac{\pi}{4}\right)\right)
4

On simplifie l'écriture :

f(x)=6sin(3xπ4)f'(x) = -6\sin\left(3x - \frac{\pi}{4}\right)

Vérification · 35

Soit g(x)=4x2+1g(x) = \sqrt{4x^2+1}. Quelle est l'expression de g(x)g'(x) pour tout xRx \in \mathbb{R} ?

Remarque

On pose u(x)=4x2+1>0u(x) = 4x^2+1 > 0 sur R\mathbb{R}, d'où u(x)=8xu'(x) = 8x. On applique (u)=u2u=8x24x2+1=4x4x2+1(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} = \frac{8x}{2\sqrt{4x^2+1}} = \frac{4x}{\sqrt{4x^2+1}}.

Point de départ · 36

Comment estimer rapidement (1,001)2(1,001)^2 sans calculatrice ni calcul posé lourd ?

En développant (1+h)2=1+2h+h2(1+h)^2 = 1 + 2h + h^2, lorsque h=0,001h = 0,001, le terme h2=0,000001h^2 = 0,000001 devient négligeable. On peut approcher (1+h)2(1+h)^2 par 1+2h1 + 2h, ce qui donne immédiatement 1+2(0,001)=1,0021 + 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 0f \text{ est dérivable en } x_0 \text{ et } h \text{ est voisin de } 0

f(x0+h)f(x0)+f(x0)hf(x_0+h) \approx f(x_0) + f'(x_0)h

Formules d'approximations affines usuelles au voisinage de 00 (hh proche de 00) :

(1+h)n1+nh(nN);11+h1h;1+h1+12h(1+h)^n \approx 1+nh \quad (n \in \mathbb{N}^*) \quad ; \quad \frac{1}{1+h} \approx 1-h \quad ; \quad \sqrt{1+h} \approx 1+\frac{1}{2}h

Exemple travaillé · 38

Soit f(x)=3x+1f(x) = \sqrt{3x+1}. Déterminer l'approximation affine de ff en 00, puis en déduire une valeur approchée de 1,00048\sqrt{1,00048}.

1

La fonction ff est dérivable sur ]13;+[]-\frac{1}{3}; +\infty[ et sa dérivée est :

f(x)=323x+1f'(x) = \frac{3}{2\sqrt{3x+1}}
2

On calcule les images en 00 : f(0)=1f(0) = 1 et f(0)=32f'(0) = \frac{3}{2}.

3

L'approximation affine au voisinage de 00 est f(h)f(0)+f(0)hf(h) \approx f(0) + f'(0)h :

3h+11+32h\sqrt{3h+1} \approx 1 + \frac{3}{2}h
4

Pour approcher 1,00048\sqrt{1,00048}, on cherche hh tel que 3h+1=1,000483h+1 = 1,00048 :

3h=0,00048    h=0,000163h = 0,00048 \iff h = 0,00016
5

On évalue l'approximation avec h=0,00016h = 0,00016 :

1,000481+32(0,00016)=1+0,00024=1,00024\sqrt{1,00048} \approx 1 + \frac{3}{2}(0,00016) = 1 + 0,00024 = 1,00024

Exemple travaillé · 39

Soit X=a2+h=a1+ha2X = \sqrt{a^2+h} = a\sqrt{1+\frac{h}{a^2}} avec a>0a > 0. Utiliser l'approximation affine de 1+x\sqrt{1+x} en 00 pour donner une valeur approchée de 420\sqrt{420}.

1

Au voisinage de 00, 1+x1+12x\sqrt{1+x} \approx 1 + \frac{1}{2}x. Avec x=ha2x = \frac{h}{a^2}, on obtient :

Xa(1+h2a2)=a+h2aX \approx a\left(1 + \frac{h}{2a^2}\right) = a + \frac{h}{2a}
2

On cherche le carré parfait le plus proche de 420420 :

420=400+20=202+20420 = 400 + 20 = 20^2 + 20
3

On identifie a=20a = 20 et h=20h = 20. Le rapport ha2=20400=0,05\frac{h}{a^2} = \frac{20}{400} = 0,05 est bien proche de 00.

4

On applique la formule d'approximation a+h2aa + \frac{h}{2a} :

42020+202(20)=20+0,5=20,5\sqrt{420} \approx 20 + \frac{20}{2(20)} = 20 + 0,5 = 20,5

Piège classique · 40

Pour estimer 3x+1=1,00048\sqrt{3x+1} = \sqrt{1,00048} avec la formule 3h+11+32h\sqrt{3h+1} \approx 1 + \frac{3}{2}h, quelle valeur de hh doit-on remplacer ?

Attention

Prendre directement l'écart brut h=0,00048h = 0,00048 sans tenir compte du coefficient 33 devant hh.

À la place : L'expression est 3h+1=1,000483h+1 = 1,00048, ce qui impose 3h=0,000483h = 0,00048, c'est-à-dire h=0,000483=0,00016h = \frac{0,00048}{3} = 0,00016.

Vérification · 41

En utilisant l'approximation affine usuelle (1+h)41+4h(1+h)^4 \approx 1+4h, quelle est la valeur approchée de (1,002)4(1,002)^4 ?

Remarque

On identifie h=0,002h = 0,002. On applique la formule : (1+0,002)41+4(0,002)=1+0,008=1,008(1+0,002)^4 \approx 1 + 4(0,002) = 1 + 0,008 = 1,008.

Point de départ · 42

Si la dérivée première de la position x(t)x(t) donne la vitesse instantanée v(t)=x(t)v(t) = x'(t), comment obtient-on l'accélération instantanée a(t)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))a(t) = v'(t) = (x'(t))'. Cette opération consistant à dériver deux fois de suite définit la dérivée seconde, notée ff''.

Définition · 43

Définition de la dérivée seconde

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

f=(f)f'' = (f')'

La fonction ff est dite deux fois dérivable sur II. La fonction dérivée de ff' est appelée la dérivée seconde de ff et se note ff''.

Exemple travaillé · 44

Soit f(x)=2cos(3x)f(x) = 2\cos(3x) définie sur R\mathbb{R}. Calculer la dérivée première f(x)f'(x), puis la dérivée seconde f(x)f''(x).

1

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} comme fonction trigonométrique composée.

2

On applique la règle [cos(ax)]=asin(ax)[\cos(ax)]' = -a\sin(ax) avec a=3a = 3 :

f(x)=2×(3sin(3x))=6sin(3x)f'(x) = 2 \times (-3\sin(3x)) = -6\sin(3x)
3

La fonction ff' est à son tour dérivable sur R\mathbb{R}. On dérive ff' en appliquant [sin(ax)]=acos(ax)[\sin(ax)]' = a\cos(ax) :

f(x)=6×(3cos(3x))f''(x) = -6 \times (3\cos(3x))
4

On simplifie le produit :

f(x)=18cos(3x)f''(x) = -18\cos(3x)

Exemple travaillé · 45

Soit f(x)=xf(x) = \sqrt{x} définie sur [0;+[[0; +\infty[. Justifier que ff est deux fois dérivable sur ]0;+[]0; +\infty[ et calculer f(x)f''(x).

1

Pour tout x>0x > 0, la dérivée première de la fonction racine carrée est :

f(x)=12xf'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}}
2

La fonction v(x)=2xv(x) = 2\sqrt{x} est dérivable et ne s'annule pas sur ]0;+[]0; +\infty[, donc f=1vf' = \frac{1}{v} est dérivable sur ]0;+[]0; +\infty[.

3

On applique la formule (1v)=vv2\left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{v^2} avec v(x)=2×12x=1xv'(x) = 2 \times \frac{1}{2\sqrt{x}} = \frac{1}{\sqrt{x}} :

f(x)=1x(2x)2=1x4xf''(x) = -\frac{\frac{1}{\sqrt{x}}}{(2\sqrt{x})^2} = -\frac{\frac{1}{\sqrt{x}}}{4x}
4

On simplifie l'expression rationnelle :

f(x)=14xxf''(x) = -\frac{1}{4x\sqrt{x}}

Piège classique · 46

Pour f(x)=2cos(3x)f(x) = 2\cos(3x), on a f(x)=6sin(3x)f'(x) = -6\sin(3x). Que vaut la dérivée seconde f(x)f''(x) ?

Attention

Oublier de multiplier à nouveau par le coefficient interne 33 et écrire f(x)=6cos(3x)f''(x) = -6\cos(3x).

À la place : Chaque dérivation successive d'une fonction composée applique la dérivée interne : la dérivée de sin(3x)\sin(3x) est 3cos(3x)3\cos(3x), donc f(x)=6×3cos(3x)=18cos(3x)f''(x) = -6 \times 3\cos(3x) = -18\cos(3x).

Vérification · 47

Soit f(x)=x42x2+5f(x) = x^4 - 2x^2 + 5. Quelle est l'expression de la dérivée seconde f(x)f''(x) sur R\mathbb{R} ?

Remarque

On calcule la dérivée première : f(x)=4x34xf'(x) = 4x^3 - 4x. On dérive à nouveau : f(x)=4(3x2)4=12x24f''(x) = 4(3x^2) - 4 = 12x^2 - 4.

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