Complète l'égalité définissant la dérivabilité d'une fonction f en un réel a :
Remarque
Ce nombre réel fini, noté f′(a), est le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d'abscisse a.
Point de départ · 2
Soit f(x)=x définie sur [0;+∞[. Pour tout x>0, la formule de dérivation donne f′(x)=2x1. Peut-on calculer directement f′(0) avec cette formule ?
Remarque
La formule opératoire n'est valable que sur l'intervalle ouvert ]0;+∞[. En x=0, elle conduit à une division par zéro : seul le taux d'accroissement permet de trancher.
Définition · 3
Limite infinie du taux d'accroissement et demi-tangente verticale
x→a+limx−af(x)−f(a)=+∞(ou −∞)
Lorsque le taux d'accroissement admet une limite infinie en a, la fonction f n'est pas dérivable à droite en a.
La courbe représentative admet au point A(a,f(a)) une demi-tangente verticale portée par la droite d'équation x=a.
Piège classique · 4
Soit g(x)=3x définie sur [0;+∞[. Pour étudier la dérivabilité de g à droite en 0, quelle démarche applique-t-on ?
Attention
Remplacer directement x par 0 dans la formule formelle g′(x)=23x3 et conclure à une impossibilité.
À la place : La formule (u)′=2uu′ n'est valable que sur les intervalles où u(x)>0. En un point où le radicande s'annule, on doit obligatoirement revenir au calcul de la limite du taux d'accroissement.
Exemple travaillé · 5
Soit f la fonction définie sur [0;+∞[ par f(x)=x(x+2). Étudie la dérivabilité de f à droite en 0 et donne l'interprétation géométrique du résultat.
1
On évalue f(0)=0 et on écrit le taux d'accroissement en 0 pour tout x>0 :
x−0f(x)−f(0)=xx(x+2)
2
Pour lever l'indétermination, on fait entrer x sous le radical sachant que x=x2 pour x>0 :
x2x(x+2)=x2x(x+2)=xx+2
3
On étudie la limite du quotient lorsque x tend vers 0+ :
x→0+limxx+2=+∞⟹x→0+limxx+2=+∞
4
La limite est infinie : f n'est pas dérivable à droite en 0. La courbe admet au point (0,0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.
Vérification · 6
Soit h une fonction définie et continue sur [1;+∞[ vérifiant limx→1+x−1h(x)−h(1)=+∞. Que possède la courbe représentative de h au point d'abscisse 1 ?
Remarque
Une limite infinie du taux d'accroissement en un point du domaine traduit une demi-tangente verticale au point (1,h(1)), et non une asymptote.
Point de départ · 7
La fonction valeur absolue f(x)=∣x∣ est continue en 0, avec f(0)=0. Sa courbe représentative admet-elle une tangente unique au point (0,0) ?
Remarque
Pour x>0, la courbe est la demi-droite y=x de pente 1. Pour x<0, c'est la demi-droite y=−x de pente −1. Au point (0,0), les deux demi-droites se raccordent en formant un angle : il n'y a pas de tangente unique.
Définition · 8
Dérivabilité à gauche, à droite et point anguleux
f est deˊrivable en a⟺fg′(a)=fd′(a)∈R
Une fonction f est dérivable en a si et seulement si elle est dérivable à gauche et à droite en a avec des nombres dérivés égaux.
Si fg′(a) et fd′(a) sont finis mais distincts (fg′(a)=fd′(a)), la fonction n'est pas dérivable en a. La courbe admet au point A(a,f(a)) deux demi-tangentes sécantes : le point A est appelé un point anguleux.
Piège classique · 9
Une fonction f est continue en 2. On calcule les limites des taux d'accroissement : limx→2−x−2f(x)−f(2)=−3 et limx→2+x−2f(x)−f(2)=3. Que peut-on en déduire pour la dérivabilité de f en 2 ?
Attention
Penser que la fonction est dérivable parce que les deux limites sont finies, ou croire que le nombre dérivé est la moyenne des deux (f′(2)=0).
À la place : Pour être dérivable en 2, les deux limites doivent être strictement égales. Comme fg′(2)=−3=3=fd′(2), la fonction f n'est pas dérivable en 2 et la courbe possède un point anguleux.
Exemple travaillé · 10
Soit la fonction f définie sur R par : f(x)={2−x2x1si x≤1si x>1 Étudie la dérivabilité de f en 1 et détermine les équations des demi-tangentes au point d'abscisse 1.
1
On évalue f(1)=2−12=1. On étudie d'abord la dérivabilité à gauche en 1 pour x<1 :
Soit la fonction g(x)=∣x−3∣. Complète les valeurs des nombres dérivés à droite et à gauche en 3 :
Remarque
Pour x>3, g(x)=x−3 donc gd′(3)=1. Pour x<3, g(x)=−(x−3)=−x+3 donc gg′(3)=−1. Les dérivées diffèrent : la courbe admet un point anguleux en x=3.
Point de départ · 12
Soit la fonction h(x)=(2x+1)3. Si on applique naïvement la formule de dérivation d'une puissance x3↦3x2, on obtiendrait 3(2x+1)2. Or, en développant h(x)=8x3+12x2+6x+1, sa dérivée réelle est h′(x)=24x2+24x+6=6(2x+1)2. D'où provient le facteur multiplicatif 2 supplémentaire ?
Remarque
Ce facteur 2 est exactement la dérivée de la fonction intérieure u(x)=2x+1. Lorsque deux fonctions s'enchaînent, la variation de la fonction externe dépend de la vitesse à laquelle la fonction interne varie.
Définition · 13
Dérivabilité et dérivation d'une fonction composée
f est deˊrivable en aetg est deˊrivable en f(a)
(g∘f)′(a)=f′(a)×g′(f(a))
De manière générale, si f est dérivable sur un intervalle I et g est dérivable sur un intervalle J contenant f(I), alors g∘f est dérivable sur I et pour tout x∈I :
(g∘f)′(x)=f′(x)×g′(f(x))
Remarque
Cas usuels pour une fonction u dérivable : - (cos(u))′=−u′sin(u) - (sin(u))′=u′cos(u) - (un)′=nu′un−1 (n≥1)
Piège classique · 14
On donne f(1)=2, f′(1)=3, g(1)=5, g′(1)=4, et g′(2)=−1. Pour calculer le nombre dérivé (g∘f)′(1), quelle formule applique-t-on ?
Attention
Calculer (g∘f)′(1)=f′(1)×g′(1) en évaluant la dérivée externe au point initial 1.
À la place : La fonction externe g prend pour argument l'image f(1)=2. On doit donc évaluer sa dérivée en 2 : (g∘f)′(1)=f′(1)×g′(f(1))=3×g′(2)=3×(−1)=−3.
Exemple travaillé · 15
Soient les fonctions u et v dérivables sur R. On donne u(0)=3π, u′(0)=2, et v(x)=cosx. Justifie que la fonction h=v∘u est dérivable en 0 et calcule h′(0).
1
On vérifie les hypothèses de dérivabilité en un point : u est dérivable en 0 et v est dérivable en u(0)=3π.
2
D'après le théorème de dérivation d'une fonction composée, h=v∘u est dérivable en 0 et :
h′(0)=u′(0)×v′(u(0))
3
On dérive la fonction externe v(x)=cosx, ce qui donne v′(x)=−sinx. On évalue ensuite cette dérivée en u(0)=3π :
v′(3π)=−sin(3π)=−23
4
On effectue le produit avec la dérivée interne u′(0)=2 :
h′(0)=2×(−23)=−3
Exemple travaillé · 16
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=cos(2x2+1). Justifie que f est dérivable sur R et calcule sa fonction dérivée f′(x).
1
On décompose f sous la forme f=v∘u avec u(x)=2x2+1 et v(X)=cos(X).
2
La fonction polynôme u est dérivable sur R, et la fonction cos est dérivable sur R. Par composition, f est dérivable sur R.
3
On dérive l'argument intérieur u pour obtenir la dérivée interne :
u′(x)=4x
4
On applique la règle de dérivation (cos(u))′=−u′sin(u) :
f′(x)=−4xsin(2x2+1)
Vérification · 17
Soit la fonction g définie sur R par g(x)=sin(3x2). Complète l'expression de sa dérivée g′(x) :
Remarque
On pose u(x)=3x2. Sa dérivée est u′(x)=6x. Par la formule (sin(u))′=u′cos(u), on obtient g′(x)=6xcos(3x2).
Point de départ · 18
Une courbe représentative d'une fonction continue et dérivable relie les points A(0,2) et B(3,2). La fonction part et revient à la même ordonnée sans faire de saut ni de pointe. Que peut-on affirmer avec certitude sur la tangente en au moins un point entre 0 et 3 ?
Remarque
Puisque la fonction part et revient à la même altitude (f(0)=f(3)=2), elle doit nécessairement atteindre au moins un extremum local où sa tangente devient parfaitement horizontale : c'est l'idée intuitive du théorème de Rolle.
Définition · 19
Théorème de Rolle
f est continue sur [ab](a<b)
f est deˊrivable sur ]ab[
f(a)=f(b)
∃c∈]ab[tel quef′(c)=0
Interprétation géométrique : si la courbe relie deux points de même ordonnée, elle admet au moins une tangente horizontale en un point d'abscisse strictement comprise entre a et b.
Piège classique · 20
Soit f(x)=x5−3x4−5x3+15x2+4x+2. On constate que f(−1)=14 et f(1)=14. Pour prouver que la courbe admet au moins une tangente horizontale sur ]−11[, quelle démarche privilégier ?
Attention
Calculer la dérivée f′(x)=5x4−12x3−15x2+30x+4 et tenter de résoudre l'équation de degré 4 f′(x)=0.
À la place : L'énoncé demande de prouver l'existence d'une tangente horizontale, sans en exiger l'abscisse exacte. Comme f est polynomiale (donc continue sur [−11] et dérivable sur ]−11[) et que f(−1)=f(1), le théorème de Rolle garantit immédiatement l'existence d'un réel c∈]−11[ tel que f′(c)=0.
Définition · 21
Théorème des accroissements finis (TAF)
f est continue sur [ab](a<b)
f est deˊrivable sur ]ab[
∃c∈]ab[tel quef(b)−f(a)=f′(c)(b−a)
Ce résultat s'écrit aussi sous la forme du taux d'accroissement :
b−af(b)−f(a)=f′(c)
Interprétation géométrique : la courbe admet au moins une tangente parallèle à la sécante (AB), où A(a,f(a)) et B(b,f(b)).
Exemple travaillé · 22
Soit la fonction f définie sur [12] par f(x)=x2x−1. Montrer que l'équation f′(x)=4 admet au moins une solution dans l'intervalle ]12[.
1
On vérifie les hypothèses de régularité : la fonction x↦x2 est continue et dérivable sur R, et x↦x−1 est continue sur [12] et dérivable sur ]12[. Donc f est continue sur [12] et dérivable sur ]12[.
2
On calcule les images aux deux bornes :
f(1)=121−1=0etf(2)=222−1=4
3
On calcule le taux de variation moyen entre 1 et 2 :
2−1f(2)−f(1)=14−0=4
4
D'après le théorème des accroissements finis, il existe au moins un réel c∈]12[ tel que f′(c)=2−1f(2)−f(1)=4. L'équation f′(x)=4 admet donc bien au moins une solution dans ]12[.
Vérification · 23
Soit g une fonction continue sur [04] et dérivable sur ]04[ vérifiant g(0)=1 et g(4)=9. D'après le théorème des accroissements finis, quelle équation admet au moins une solution c∈]04[ ?
Remarque
Le taux d'accroissement moyen vaut 4−0g(4)−g(0)=49−1=48=2. Le TAF garantit donc l'existence d'un réel c∈]04[ vérifiant g′(c)=2.
Point de départ · 24
Un véhicule roule sur une autoroute à une vitesse instantanée toujours comprise entre 60 km/h et 90 km/h. En 2 heures de trajet, quelle distance a-t-il pu parcourir ?
Remarque
Si la vitesse instantanée (la dérivée) reste bornée par m=60 et M=90, la distance parcourue (la variation globale de position) est obligatoirement comprise entre 60×2=120 km et 90×2=180 km. C'est l'idée intuitive de l'inégalité des accroissements finis.
Définition · 25
Théorème de l'inégalité des accroissements finis (IAF)
f est deˊrivable sur un intervalle I
Première forme (encadrement) : s'il existe deux réels m et M tels que pour tout x∈I, m≤f′(x)≤M, alors pour tous réels a et b de I tels que a≤b :
m(b−a)≤f(b)−f(a)≤M(b−a)
Ce qui équivaut, pour a<b, à encadrer le taux d'accroissement :
m≤b−af(b)−f(a)≤M
Deuxième forme (valeur absolue) : s'il existe un réel k>0 tel que pour tout x∈I, ∣f′(x)∣≤k, alors pour tous réels a et b de I :
∣f(b)−f(a)∣≤k∣b−a∣
Piège classique · 26
Soit la fonction f(x)=x sur l'intervalle [1;4]. Sa dérivée est f′(x)=2x1. Quel est l'encadrement correct de f′(x) sur [1;4] pour appliquer l'IAF ?
Attention
Écrire directement f′(1)≤f′(x)≤f′(4), ce qui donne 21≤f′(x)≤41 (inégalité absurde qui inverse l'ordre des réels).
À la place : La fonction f′ est strictement décroissante sur [1;4]. Le minimum est donc atteint en 4 et le maximum en 1 : f′(4)≤f′(x)≤f′(1), soit 41≤f′(x)≤21.
Exemple travaillé · 27
Soit la fonction f(x)=tanx définie sur [0;4π]. En utilisant l'inégalité des accroissements finis, montrer que pour tout x∈[0;4π], on a : x≤tanx≤2x.
1
La fonction f est dérivable sur [0;4π] et pour tout t∈[0;4π], sa dérivée est :
f′(t)=1+tan2t
2
La fonction tangente est strictement croissante sur [0;4π], donc pour 0≤t≤4π, on a 0≤tant≤1, d'où 0≤tan2t≤1. En ajoutant 1 :
1≤f′(t)≤2
3
Soit x∈[0;4π]. On applique l'inégalité des accroissements finis à f sur l'intervalle [0;x] avec m=1 et M=2 :
1×(x−0)≤f(x)−f(0)≤2×(x−0)
4
Comme f(0)=tan(0)=0, l'inégalité devient directement :
x≤tanx≤2x
Exemple travaillé · 28
Soit la fonction g(x)=cosx définie sur R. En utilisant l'inégalité des accroissements finis, montrer que pour tout réel h, on a : cos(3π+h)−21≤∣h∣.
1
La fonction g est dérivable sur R et sa dérivée est g′(t)=−sint.
2
Pour tout réel t, on a ∣−sint∣≤1, donc pour tout t∈R :
∣g′(t)∣≤1
3
On applique la deuxième forme de l'inégalité des accroissements finis à g entre les réels a=3π et b=3π+h avec la constante k=1 :
g(3π+h)−g(3π)≤1×(3π+h)−3π
4
Comme g(3π)=cos(3π)=21, on obtient directement :
cos(3π+h)−21≤∣h∣
Vérification · 29
Soit une fonction f dérivable sur [1;8] telle que pour tout x∈[1;8], ∣f′(x)∣≤5. Complète la majoration fournie par l'inégalité des accroissements finis :
Remarque
D'après l'inégalité des accroissements finis en valeur absolue, ∣f(8)−f(1)∣≤k∣8−1∣=5×7=35.
Point de départ · 30
On considère une suite (un) définie par u0=1 et un+1=f(un), où f est une fonction strictement décroissante sur [0;2]. Si u0<u1, la suite (un) est-elle nécessairement croissante ?
Remarque
Non. Comme f renverse l'ordre, u0<u1 entraîne f(u0)>f(u1), c'est-à-dire u1>u2, puis u2<u3. Les termes oscillent de part et d'autre de la limite : la suite n'est pas monotone. L'étude classique du sens de variation échoue, ce qui motive l'usage d'une méthode de contraction basée sur l'inégalité des accroissements finis.
Définition · 31
Théorème de contraction pour une suite récurrente
f est deˊrivable sur un intervalle I stable par f(f(I)⊂I)
∃α∈Itel quef(α)=α
∃k∈]0;1[tel que∀x∈I,∣f′(x)∣≤k
∀n∈N,un∈Ietun+1=f(un)
∀n∈N,∣un+1−α∣≤k∣un−α∣
Par récurrence, cette inégalité de contraction se propage jusqu'au premier terme :
∀n∈N,∣un−α∣≤kn∣u0−α∣
Comme 0<k<1, on a limn→+∞kn=0. Le théorème des gendarmes garantit alors que limn→+∞un=α.
Piège classique · 32
Soit la suite (un) définie par u0=1 et un+1=1+un1 sur [1;2]. La fonction associée f(x)=1+x1 est strictement décroissante. Pour prouver que (un) converge vers la solution α de l'équation f(x)=x, quelle démarche adopte-t-on ?
Attention
Étudier le signe de la différence f(x)−x pour chercher à prouver que (un) est une suite monotone.
À la place : Lorsque la fonction f est décroissante, la suite (un) n'est pas monotone : ses termes oscillent alternativement au-dessus et en dessous du point fixe α. Seule l'inégalité des accroissements finis ∣f(un)−f(α)∣≤k∣un−α∣ avec k<1 permet d'établir la convergence par contraction géométrique.
Exemple travaillé · 33
Soit f(x)=1+x1 sur [1;2]. On admet que f([1;2])⊂[1;2] et que l'équation f(x)=x admet une unique solution α∈]1;2[. Montre que pour tout x∈[1;2], ∣f′(x)∣≤21, puis que la suite définie par u0=2 et un+1=f(un) vérifie pour tout n∈N : ∣un+1−α∣≤21∣un−α∣.
1
On dérive f sur [1;2] :
f′(x)=−2xx1
2
Pour x∈[1;2], on a x≥1, donc xx≥1. Par passage à l'inverse : xx1≤1. On en déduit :
∣f′(x)∣=2xx1≤21
3
Comme u0=2∈[1;2] et que l'intervalle [1;2] est stable par f, une récurrence immédiate prouve que pour tout n∈N, un∈[1;2].
4
Les réels un et α appartiennent tous deux à [1;2]. D'après l'inégalité des accroissements finis en valeur absolue avec k=21 :
∣f(un)−f(α)∣≤21∣un−α∣
5
Comme f(un)=un+1 et f(α)=α, on conclut directement :
∣un+1−α∣≤21∣un−α∣
Exemple travaillé · 34
On considère la suite (un) vérifiant u0=2 et pour tout n∈N, ∣un+1−α∣≤21∣un−α∣ avec α∈]1;2[. Montre par récurrence que pour tout n∈N, ∣un−α∣≤(21)n, puis détermine la limite de la suite (un).
1
Initialisation : pour n=0, ∣u0−α∣=∣2−α∣. Comme 1<α<2, on a 0<2−α<1, donc :
∣u0−α∣≤1=(21)0
2
Hérédité : supposons que pour un entier n≥0, ∣un−α∣≤(21)n.
3
Au rang n+1, on applique la relation de contraction et l'hypothèse de récurrence :
∣un+1−α∣≤21∣un−α∣≤21×(21)n=(21)n+1
4
L'inégalité ∣un−α∣≤(21)n est donc vraie pour tout entier naturel n.
5
Comme −1<21<1, on a limn→+∞(21)n=0. Par le théorème des gendarmes encadrant ∣un−α∣≥0 :
n→+∞lim∣un−α∣=0⟹n→+∞limun=α
Vérification · 35
Une suite (un) vérifie un+1=f(un) sur un intervalle où ∣f′(x)∣≤52 et f(1)=1. On donne u0=0. Complète l'inégalité de majoration et la limite de (un) :
Remarque
On a ∣u0−1∣=∣0−1∣=1. L'inégalité des accroissements finis donne ∣un+1−1∣≤52∣un−1∣, d'où par récurrence ∣un−1∣≤(52)n. Comme 0<52<1, la suite géométrique tend vers 0 et limn→+∞un=1.
Point de départ · 36
Soit la fonction cube f(x)=x3. Au point O(0,0), la tangente à la courbe est l'axe des abscisses d'équation y=0. Comment se positionne la courbe par rapport à sa tangente au voisinage de 0 ?
Remarque
Pour x>0, x3>0 : la courbe est située au-dessus de sa tangente. Pour x<0, x3<0 : la courbe est située au-dessous. La courbe traverse sa tangente en (0,0) : un tel point de contact est appelé un point d'inflexion.
Définition · 37
Point d'inflexion et critère de la dérivée seconde
Soit f une fonction dérivable en a. On dit que le point I(a,f(a)) est un point d'inflexion de la courbe Cf si Cf traverse sa tangente en ce point.
f est deux fois deˊrivable sur un intervalle ouvert contenant a
I(a,f(a)) est un point d’inflexion de Cf⟺f′′(x) s’annule en a en changeant de signe
Piège classique · 38
Soit la fonction g(x)=x4 définie sur R. Sa dérivée seconde est g′′(x)=12x2. On constate que g′′(0)=0. Le point O(0,0) est-il un point d'inflexion de la courbe de g ?
Attention
Conclure qu'un point est un point d'inflexion dès que la dérivée seconde s'annule (g′′(0)=0).
À la place : L'annulation seule ne suffit pas : la dérivée seconde doit impérativement changer de signe. Ici, pour tout x=0, g′′(x)=12x2>0. Comme g′′ garde un signe constant positif, la courbe ne traverse pas sa tangente en 0 (elle reste entièrement au-dessus) : (0,0) n'est pas un point d'inflexion.
Exemple travaillé · 39
Soit la fonction f définie sur R par f(x)=x4−6x2+1. Montre que la courbe Cf admet deux points d'inflexion et détermine leurs coordonnées.
1
La fonction f est polynomiale, donc deux fois dérivable sur R. On calcule sa dérivée première puis sa dérivée seconde :
f′(x)=4x3−12x⟹f′′(x)=12x2−12
2
On factorise f′′(x) pour trouver ses racines :
f′′(x)=12(x2−1)=12(x−1)(x+1)
3
Les racines de f′′ sont −1 et 1. Le trinôme 12x2−12 est strictement positif à l'extérieur des racines et strictement négatif à l'intérieur : f′′ s'annule donc en changeant de signe en −1 et en 1.
4
On calcule les ordonnées des deux points d'inflexion :
f(−1)=(−1)4−6(−1)2+1=−4etf(1)=14−6(1)2+1=−4
5
La courbe Cf admet exactement deux points d'inflexion : I1(−1,−4) et I2(1,−4).
Exemple travaillé · 40
Soit la fonction g définie sur [0;π] par g(x)=1+21cosx. Montre que la courbe Cg admet un unique point d'inflexion dont on précisera les coordonnées.
1
La fonction g est deux fois dérivable sur [0;π]. On calcule ses dérivées successives :
g′(x)=−21sinx⟹g′′(x)=−21cosx
2
On cherche les annulations de g′′(x) sur l'intervalle [0;π] :
g′′(x)=0⟺cosx=0⟺x=2π
3
On étudie le signe de g′′(x) de part et d'autre de 2π : - Pour x∈[0;2π[, cosx>0, d'où g′′(x)<0. - Pour x∈]2π;π], cosx<0, d'où g′′(x)>0.
4
La dérivée seconde s'annule en 2π en changeant de signe (de négatif à positif). La courbe Cg admet donc un unique point d'inflexion I d'abscisse 2π.
5
On calcule son ordonnée :
g(2π)=1+21cos(2π)=1+0=1
6
Le point d'inflexion de Cg est I(2π,1).
Vérification · 41
Soit la fonction h(x)=x3−3x2+5. Complète les coordonnées du point d'inflexion I de sa courbe représentative :
Remarque
On calcule h′(x)=3x2−6x puis h′′(x)=6x−6=6(x−1). La dérivée seconde s'annule et change de signe en x=1. L'ordonnée correspondante est h(1)=13−3(1)2+5=3. Le point d'inflexion est donc I(1,3).