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Dérivabilité — cours

4ème année (Bac) · section Sciences expérimentales · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Complète l'égalité définissant la dérivabilité d'une fonction ff en un réel aa :

Remarque

Ce nombre réel fini, noté f(a)f'(a), est le coefficient directeur de la tangente à la courbe au point d'abscisse aa.

Point de départ · 2

Soit f(x)=xf(x) = \sqrt{x} définie sur [0;+[[0 ; +\infty[. Pour tout x>0x > 0, la formule de dérivation donne f(x)=12xf'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}}. Peut-on calculer directement f(0)f'(0) avec cette formule ?

Remarque

La formule opératoire n'est valable que sur l'intervalle ouvert ]0;+[]0 ; +\infty[. En x=0x=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

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

Lorsque le taux d'accroissement admet une limite infinie en aa, la fonction ff n'est pas dérivable à droite en aa.

La courbe représentative admet au point A(a,f(a))A(a, f(a)) une demi-tangente verticale portée par la droite d'équation x=ax=a.

Piège classique · 4

Soit g(x)=3xg(x) = \sqrt{3x} définie sur [0;+[[0 ; +\infty[. Pour étudier la dérivabilité de gg à droite en 00, quelle démarche applique-t-on ?

Attention

Remplacer directement xx par 00 dans la formule formelle g(x)=323xg'(x) = \frac{3}{2\sqrt{3x}} et conclure à une impossibilité.

À la place : La formule (u)=u2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} n'est valable que sur les intervalles où u(x)>0u(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 ff la fonction définie sur [0;+[[0 ; +\infty[ par f(x)=x(x+2)f(x) = \sqrt{x(x+2)}. Étudie la dérivabilité de ff à droite en 00 et donne l'interprétation géométrique du résultat.

1

On évalue f(0)=0f(0) = 0 et on écrit le taux d'accroissement en 00 pour tout x>0x > 0 :

f(x)f(0)x0=x(x+2)x\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \frac{\sqrt{x(x+2)}}{x}
2

Pour lever l'indétermination, on fait entrer xx sous le radical sachant que x=x2x = \sqrt{x^2} pour x>0x > 0 :

x(x+2)x2=x(x+2)x2=x+2x\frac{\sqrt{x(x+2)}}{\sqrt{x^2}} = \sqrt{\frac{x(x+2)}{x^2}} = \sqrt{\frac{x+2}{x}}
3

On étudie la limite du quotient lorsque xx tend vers 0+0^+ :

limx0+x+2x=+    limx0+x+2x=+\lim_{x \to 0^+} \frac{x+2}{x} = +\infty \implies \lim_{x \to 0^+} \sqrt{\frac{x+2}{x}} = +\infty
4

La limite est infinie : ff n'est pas dérivable à droite en 00. La courbe admet au point (0,0)(0,0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Vérification · 6

Soit hh une fonction définie et continue sur [1;+[[1 ; +\infty[ vérifiant limx1+h(x)h(1)x1=+\lim_{x \to 1^+} \frac{h(x)-h(1)}{x-1} = +\infty. Que possède la courbe représentative de hh au point d'abscisse 11 ?

Remarque

Une limite infinie du taux d'accroissement en un point du domaine traduit une demi-tangente verticale au point (1,h(1))(1, h(1)), et non une asymptote.

Point de départ · 7

La fonction valeur absolue f(x)=xf(x) = |x| est continue en 00, avec f(0)=0f(0) = 0. Sa courbe représentative admet-elle une tangente unique au point (0,0)(0,0) ?

Remarque

Pour x>0x > 0, la courbe est la demi-droite y=xy = x de pente 11. Pour x<0x < 0, c'est la demi-droite y=xy = -x de pente 1-1. Au point (0,0)(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)Rf \text{ est dérivable en } a \iff f'_g(a) = f'_d(a) \in \mathbb{R}

Une fonction ff est dérivable en aa si et seulement si elle est dérivable à gauche et à droite en aa avec des nombres dérivés égaux.

Si fg(a)f'_g(a) et fd(a)f'_d(a) sont finis mais distincts (fg(a)fd(a)f'_g(a) \ne f'_d(a)), la fonction n'est pas dérivable en aa. La courbe admet au point A(a,f(a))A(a, f(a)) deux demi-tangentes sécantes : le point AA est appelé un point anguleux.

Piège classique · 9

Une fonction ff est continue en 22. On calcule les limites des taux d'accroissement : limx2f(x)f(2)x2=3\lim_{x \to 2^-} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = -3 et limx2+f(x)f(2)x2=3\lim_{x \to 2^+} \frac{f(x)-f(2)}{x-2} = 3. Que peut-on en déduire pour la dérivabilité de ff en 22 ?

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)=0f'(2) = 0).

À la place : Pour être dérivable en 22, les deux limites doivent être strictement égales. Comme fg(2)=33=fd(2)f'_g(2) = -3 \ne 3 = f'_d(2), la fonction ff n'est pas dérivable en 22 et la courbe possède un point anguleux.

Exemple travaillé · 10

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={2x2si x11xsi x>1f(x) = \begin{cases} 2-x^2 & \text{si } x \le 1 \\ \frac{1}{x} & \text{si } x > 1 \end{cases}
Étudie la dérivabilité de ff en 11 et détermine les équations des demi-tangentes au point d'abscisse 11.

1

On évalue f(1)=212=1f(1) = 2 - 1^2 = 1. On étudie d'abord la dérivabilité à gauche en 11 pour x<1x < 1 :

limx1f(x)f(1)x1=limx12x21x1=limx11x2x1\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{2-x^2-1}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{1-x^2}{x-1}
2

On factorise le numérateur pour simplifier par (x1)(x-1) :

limx1(x1)(x+1)x1=limx1(x+1)=2    fg(1)=2\lim_{x \to 1^-} \frac{-(x-1)(x+1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} -(x+1) = -2 \implies f'_g(1) = -2
3

On étudie ensuite la dérivabilité à droite en 11 pour x>1x > 1 :

limx1+f(x)f(1)x1=limx1+1x1x1=limx1+1xx(x1)=limx1+1x=1    fd(1)=1\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{\frac{1}{x}-1}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{1-x}{x(x-1)} = \lim_{x \to 1^+} -\frac{1}{x} = -1 \implies f'_d(1) = -1
4

Comme fg(1)=21=fd(1)f'_g(1) = -2 \ne -1 = f'_d(1), la fonction ff n'est pas dérivable en 11. La courbe admet au point (1,1)(1,1) deux demi-tangentes d'équations :

{Tg:y=2(x1)+1=2x+3(x1)Td:y=1(x1)+1=x+2(x1)\begin{cases} T_g : y = -2(x-1) + 1 = -2x + 3 & (x \le 1) \\ T_d : y = -1(x-1) + 1 = -x + 2 & (x \ge 1) \end{cases}

Vérification · 11

Soit la fonction g(x)=x3g(x) = |x-3|. Complète les valeurs des nombres dérivés à droite et à gauche en 33 :

Remarque

Pour x>3x > 3, g(x)=x3g(x) = x-3 donc gd(3)=1g'_d(3) = 1. Pour x<3x < 3, g(x)=(x3)=x+3g(x) = -(x-3) = -x+3 donc gg(3)=1g'_g(3) = -1. Les dérivées diffèrent : la courbe admet un point anguleux en x=3x=3.

Point de départ · 12

Soit la fonction h(x)=(2x+1)3h(x) = (2x+1)^3. Si on applique naïvement la formule de dérivation d'une puissance x33x2x^3 \mapsto 3x^2, on obtiendrait 3(2x+1)23(2x+1)^2. Or, en développant h(x)=8x3+12x2+6x+1h(x) = 8x^3 + 12x^2 + 6x + 1, sa dérivée réelle est h(x)=24x2+24x+6=6(2x+1)2h'(x) = 24x^2 + 24x + 6 = 6(2x+1)^2. D'où provient le facteur multiplicatif 22 supplémentaire ?

Remarque

Ce facteur 22 est exactement la dérivée de la fonction intérieure u(x)=2x+1u(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)f \text{ est dérivable en } a \quad \text{et} \quad g \text{ est dérivable en } f(a)

(gf)(a)=f(a)×g(f(a))(g \circ f)'(a) = f'(a) \times g'(f(a))

De manière générale, si ff est dérivable sur un intervalle II et gg est dérivable sur un intervalle JJ contenant f(I)f(I), alors gfg \circ f est dérivable sur II et pour tout xIx \in I :

(gf)(x)=f(x)×g(f(x))(g \circ f)'(x) = f'(x) \times g'(f(x))

Remarque

Cas usuels pour une fonction uu dérivable :
- (cos(u))=usin(u)(\cos(u))' = -u' \sin(u)
- (sin(u))=ucos(u)(\sin(u))' = u' \cos(u)
- (un)=nuun1(u^n)' = n u' u^{n-1} (n1n \ge 1)

Piège classique · 14

On donne f(1)=2f(1) = 2, f(1)=3f'(1) = 3, g(1)=5g(1) = 5, g(1)=4g'(1) = 4, et g(2)=1g'(2) = -1. Pour calculer le nombre dérivé (gf)(1)(g \circ f)'(1), quelle formule applique-t-on ?

Attention

Calculer (gf)(1)=f(1)×g(1)(g \circ f)'(1) = f'(1) \times g'(1) en évaluant la dérivée externe au point initial 11.

À la place : La fonction externe gg prend pour argument l'image f(1)=2f(1) = 2. On doit donc évaluer sa dérivée en 22 : (gf)(1)=f(1)×g(f(1))=3×g(2)=3×(1)=3(g \circ f)'(1) = f'(1) \times g'(f(1)) = 3 \times g'(2) = 3 \times (-1) = -3.

Exemple travaillé · 15

Soient les fonctions uu et vv dérivables sur R\mathbb{R}. On donne u(0)=π3u(0) = \frac{\pi}{3}, u(0)=2u'(0) = 2, et v(x)=cosxv(x) = \cos x. Justifie que la fonction h=vuh = v \circ u est dérivable en 00 et calcule h(0)h'(0).

1

On vérifie les hypothèses de dérivabilité en un point : uu est dérivable en 00 et vv est dérivable en u(0)=π3u(0) = \frac{\pi}{3}.

2

D'après le théorème de dérivation d'une fonction composée, h=vuh = v \circ u est dérivable en 00 et :

h(0)=u(0)×v(u(0))h'(0) = u'(0) \times v'(u(0))
3

On dérive la fonction externe v(x)=cosxv(x) = \cos x, ce qui donne v(x)=sinxv'(x) = -\sin x. On évalue ensuite cette dérivée en u(0)=π3u(0) = \frac{\pi}{3} :

v(π3)=sin(π3)=32v'\left(\frac{\pi}{3}\right) = -\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2}
4

On effectue le produit avec la dérivée interne u(0)=2u'(0) = 2 :

h(0)=2×(32)=3h'(0) = 2 \times \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -\sqrt{3}

Exemple travaillé · 16

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=cos(2x2+1)f(x) = \cos(2x^2+1). Justifie que ff est dérivable sur R\mathbb{R} et calcule sa fonction dérivée f(x)f'(x).

1

On décompose ff sous la forme f=vuf = v \circ u avec u(x)=2x2+1u(x) = 2x^2+1 et v(X)=cos(X)v(X) = \cos(X).

2

La fonction polynôme uu est dérivable sur R\mathbb{R}, et la fonction cos\cos est dérivable sur R\mathbb{R}. Par composition, ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

3

On dérive l'argument intérieur uu pour obtenir la dérivée interne :

u(x)=4xu'(x) = 4x
4

On applique la règle de dérivation (cos(u))=usin(u)(\cos(u))' = -u' \sin(u) :

f(x)=4xsin(2x2+1)f'(x) = -4x \sin(2x^2+1)

Vérification · 17

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=sin(3x2)g(x) = \sin(3x^2). Complète l'expression de sa dérivée g(x)g'(x) :

Remarque

On pose u(x)=3x2u(x) = 3x^2. Sa dérivée est u(x)=6xu'(x) = 6x. Par la formule (sin(u))=ucos(u)(\sin(u))' = u' \cos(u), on obtient g(x)=6xcos(3x2)g'(x) = 6x \cos(3x^2).

Point de départ · 18

Une courbe représentative d'une fonction continue et dérivable relie les points A(0,2)A(0, 2) et B(3,2)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 00 et 33 ?

Remarque

Puisque la fonction part et revient à la même altitude (f(0)=f(3)=2f(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 [a  b](a<b)f \text{ est continue sur } [a\; b] \quad (a < b)
f est deˊrivable sur ]a  b[f \text{ est dérivable sur } ]a\; b[
f(a)=f(b)f(a) = f(b)

c]a  b[tel quef(c)=0\exists c \in ]a\; b[ \quad \text{tel que} \quad f'(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 aa et bb.

Piège classique · 20

Soit f(x)=x53x45x3+15x2+4x+2f(x) = x^5 - 3x^4 - 5x^3 + 15x^2 + 4x + 2. On constate que f(1)=14f(-1) = 14 et f(1)=14f(1) = 14. Pour prouver que la courbe admet au moins une tangente horizontale sur ]1  1[]-1\; 1[, quelle démarche privilégier ?

Attention

Calculer la dérivée f(x)=5x412x315x2+30x+4f'(x) = 5x^4 - 12x^3 - 15x^2 + 30x + 4 et tenter de résoudre l'équation de degré 4 f(x)=0f'(x) = 0.

À la place : L'énoncé demande de prouver l'existence d'une tangente horizontale, sans en exiger l'abscisse exacte. Comme ff est polynomiale (donc continue sur [1  1][-1\; 1] et dérivable sur ]1  1[]-1\; 1[) et que f(1)=f(1)f(-1) = f(1), le théorème de Rolle garantit immédiatement l'existence d'un réel c]1  1[c \in ]-1\; 1[ tel que f(c)=0f'(c) = 0.

Définition · 21

Théorème des accroissements finis (TAF)

f est continue sur [a  b](a<b)f \text{ est continue sur } [a\; b] \quad (a < b)
f est deˊrivable sur ]a  b[f \text{ est dérivable sur } ]a\; b[

c]a  b[tel quef(b)f(a)=f(c)(ba)\exists c \in ]a\; b[ \quad \text{tel que} \quad f(b) - f(a) = f'(c)(b - a)

Ce résultat s'écrit aussi sous la forme du taux d'accroissement :

f(b)f(a)ba=f(c)\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(c)

Interprétation géométrique : la courbe admet au moins une tangente parallèle à la sécante (AB)(AB), où A(a,f(a))A(a, f(a)) et B(b,f(b))B(b, f(b)).

Exemple travaillé · 22

Soit la fonction ff définie sur [1  2][1\; 2] par f(x)=x2x1f(x) = x^2\sqrt{x-1}. Montrer que l'équation f(x)=4f'(x) = 4 admet au moins une solution dans l'intervalle ]1  2[]1\; 2[.

1

On vérifie les hypothèses de régularité : la fonction xx2x \mapsto x^2 est continue et dérivable sur R\mathbb{R}, et xx1x \mapsto \sqrt{x-1} est continue sur [1  2][1\; 2] et dérivable sur ]1  2[]1\; 2[. Donc ff est continue sur [1  2][1\; 2] et dérivable sur ]1  2[]1\; 2[.

2

On calcule les images aux deux bornes :

f(1)=1211=0etf(2)=2221=4f(1) = 1^2\sqrt{1-1} = 0 \quad \text{et} \quad f(2) = 2^2\sqrt{2-1} = 4
3

On calcule le taux de variation moyen entre 11 et 22 :

f(2)f(1)21=401=4\frac{f(2)-f(1)}{2-1} = \frac{4-0}{1} = 4
4

D'après le théorème des accroissements finis, il existe au moins un réel c]1  2[c \in ]1\; 2[ tel que f(c)=f(2)f(1)21=4f'(c) = \frac{f(2)-f(1)}{2-1} = 4. L'équation f(x)=4f'(x) = 4 admet donc bien au moins une solution dans ]1  2[]1\; 2[.

Vérification · 23

Soit gg une fonction continue sur [0  4][0\; 4] et dérivable sur ]0  4[]0\; 4[ vérifiant g(0)=1g(0) = 1 et g(4)=9g(4) = 9. D'après le théorème des accroissements finis, quelle équation admet au moins une solution c]0  4[c \in ]0\; 4[ ?

Remarque

Le taux d'accroissement moyen vaut g(4)g(0)40=914=84=2\frac{g(4)-g(0)}{4-0} = \frac{9-1}{4} = \frac{8}{4} = 2. Le TAF garantit donc l'existence d'un réel c]0  4[c \in ]0\; 4[ vérifiant g(c)=2g'(c) = 2.

Point de départ · 24

Un véhicule roule sur une autoroute à une vitesse instantanée toujours comprise entre 60 km/h60\text{ km/h} et 90 km/h90\text{ km/h}. En 2 heures2\text{ heures} de trajet, quelle distance a-t-il pu parcourir ?

Remarque

Si la vitesse instantanée (la dérivée) reste bornée par m=60m = 60 et M=90M = 90, la distance parcourue (la variation globale de position) est obligatoirement comprise entre 60×2=120 km60 \times 2 = 120\text{ km} et 90×2=180 km90 \times 2 = 180\text{ 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 If \text{ est dérivable sur un intervalle } I

Première forme (encadrement) : s'il existe deux réels mm et MM tels que pour tout xIx \in I, mf(x)Mm \le f'(x) \le M, alors pour tous réels aa et bb de II tels que aba \le b :

m(ba)f(b)f(a)M(ba)m(b-a) \le f(b)-f(a) \le M(b-a)

Ce qui équivaut, pour a<ba < b, à encadrer le taux d'accroissement :

mf(b)f(a)baMm \le \frac{f(b)-f(a)}{b-a} \le M

Deuxième forme (valeur absolue) : s'il existe un réel k>0k > 0 tel que pour tout xIx \in I, f(x)k|f'(x)| \le k, alors pour tous réels aa et bb de II :

f(b)f(a)kba|f(b)-f(a)| \le k|b-a|

Piège classique · 26

Soit la fonction f(x)=xf(x) = \sqrt{x} sur l'intervalle [1;4][1 ; 4]. Sa dérivée est f(x)=12xf'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}}. Quel est l'encadrement correct de f(x)f'(x) sur [1;4][1 ; 4] pour appliquer l'IAF ?

Attention

Écrire directement f(1)f(x)f(4)f'(1) \le f'(x) \le f'(4), ce qui donne 12f(x)14\frac{1}{2} \le f'(x) \le \frac{1}{4} (inégalité absurde qui inverse l'ordre des réels).

À la place : La fonction ff' est strictement décroissante sur [1;4][1 ; 4]. Le minimum est donc atteint en 44 et le maximum en 11 : f(4)f(x)f(1)f'(4) \le f'(x) \le f'(1), soit 14f(x)12\frac{1}{4} \le f'(x) \le \frac{1}{2}.

Exemple travaillé · 27

Soit la fonction f(x)=tanxf(x) = \tan x définie sur [0;π4][0 ; \frac{\pi}{4}]. En utilisant l'inégalité des accroissements finis, montrer que pour tout x[0;π4]x \in [0 ; \frac{\pi}{4}], on a : xtanx2xx \le \tan x \le 2x.

1

La fonction ff est dérivable sur [0;π4][0 ; \frac{\pi}{4}] et pour tout t[0;π4]t \in [0 ; \frac{\pi}{4}], sa dérivée est :

f(t)=1+tan2tf'(t) = 1 + \tan^2 t
2

La fonction tangente est strictement croissante sur [0;π4][0 ; \frac{\pi}{4}], donc pour 0tπ40 \le t \le \frac{\pi}{4}, on a 0tant10 \le \tan t \le 1, d'où 0tan2t10 \le \tan^2 t \le 1. En ajoutant 11 :

1f(t)21 \le f'(t) \le 2
3

Soit x[0;π4]x \in [0 ; \frac{\pi}{4}]. On applique l'inégalité des accroissements finis à ff sur l'intervalle [0;x][0 ; x] avec m=1m = 1 et M=2M = 2 :

1×(x0)f(x)f(0)2×(x0)1 \times (x-0) \le f(x)-f(0) \le 2 \times (x-0)
4

Comme f(0)=tan(0)=0f(0) = \tan(0) = 0, l'inégalité devient directement :

xtanx2xx \le \tan x \le 2x

Exemple travaillé · 28

Soit la fonction g(x)=cosxg(x) = \cos x définie sur R\mathbb{R}. En utilisant l'inégalité des accroissements finis, montrer que pour tout réel hh, on a : cos(π3+h)12h\left|\cos\left(\frac{\pi}{3}+h\right) - \frac{1}{2}\right| \le |h|.

1

La fonction gg est dérivable sur R\mathbb{R} et sa dérivée est g(t)=sintg'(t) = -\sin t.

2

Pour tout réel tt, on a sint1|-\sin t| \le 1, donc pour tout tRt \in \mathbb{R} :

g(t)1|g'(t)| \le 1
3

On applique la deuxième forme de l'inégalité des accroissements finis à gg entre les réels a=π3a = \frac{\pi}{3} et b=π3+hb = \frac{\pi}{3}+h avec la constante k=1k = 1 :

g(π3+h)g(π3)1×(π3+h)π3\left|g\left(\frac{\pi}{3}+h\right) - g\left(\frac{\pi}{3}\right)\right| \le 1 \times \left|\left(\frac{\pi}{3}+h\right) - \frac{\pi}{3}\right|
4

Comme g(π3)=cos(π3)=12g\left(\frac{\pi}{3}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2}, on obtient directement :

cos(π3+h)12h\left|\cos\left(\frac{\pi}{3}+h\right) - \frac{1}{2}\right| \le |h|

Vérification · 29

Soit une fonction ff dérivable sur [1;8][1 ; 8] telle que pour tout x[1;8]x \in [1 ; 8], f(x)5|f'(x)| \le 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)k81=5×7=35|f(8)-f(1)| \le k|8-1| = 5 \times 7 = 35.

Point de départ · 30

On considère une suite (un)(u_n) définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n), où ff est une fonction strictement décroissante sur [0;2][0 ; 2]. Si u0<u1u_0 < u_1, la suite (un)(u_n) est-elle nécessairement croissante ?

Remarque

Non. Comme ff renverse l'ordre, u0<u1u_0 < u_1 entraîne f(u0)>f(u1)f(u_0) > f(u_1), c'est-à-dire u1>u2u_1 > u_2, puis u2<u3u_2 < u_3. 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)f \text{ est dérivable sur un intervalle } I \text{ stable par } f \quad (f(I) \subset I)
αItel quef(α)=α\exists \alpha \in I \quad \text{tel que} \quad f(\alpha) = \alpha
k]0;1[tel quexI,  f(x)k\exists k \in ]0 ; 1[ \quad \text{tel que} \quad \forall x \in I, \; |f'(x)| \le k
nN,unIetun+1=f(un)\forall n \in \mathbb{N}, \quad u_n \in I \quad \text{et} \quad u_{n+1} = f(u_n)

nN,un+1αkunα\forall n \in \mathbb{N}, \quad |u_{n+1} - \alpha| \le k|u_n - \alpha|

Par récurrence, cette inégalité de contraction se propage jusqu'au premier terme :

nN,unαknu0α\forall n \in \mathbb{N}, \quad |u_n - \alpha| \le k^n |u_0 - \alpha|

Comme 0<k<10 < k < 1, on a limn+kn=0\lim_{n \to +\infty} k^n = 0. Le théorème des gendarmes garantit alors que limn+un=α\lim_{n \to +\infty} u_n = \alpha.

Piège classique · 32

Soit la suite (un)(u_n) définie par u0=1u_0 = 1 et un+1=1+1unu_{n+1} = 1 + \frac{1}{\sqrt{u_n}} sur [1;2][1 ; 2]. La fonction associée f(x)=1+1xf(x) = 1 + \frac{1}{\sqrt{x}} est strictement décroissante. Pour prouver que (un)(u_n) converge vers la solution α\alpha de l'équation f(x)=xf(x)=x, quelle démarche adopte-t-on ?

Attention

Étudier le signe de la différence f(x)xf(x) - x pour chercher à prouver que (un)(u_n) est une suite monotone.

À la place : Lorsque la fonction ff est décroissante, la suite (un)(u_n) n'est pas monotone : ses termes oscillent alternativement au-dessus et en dessous du point fixe α\alpha. Seule l'inégalité des accroissements finis f(un)f(α)kunα|f(u_n)-f(\alpha)| \le k|u_n-\alpha| avec k<1k < 1 permet d'établir la convergence par contraction géométrique.

Exemple travaillé · 33

Soit f(x)=1+1xf(x) = 1 + \frac{1}{\sqrt{x}} sur [1;2][1 ; 2]. On admet que f([1;2])[1;2]f([1 ; 2]) \subset [1 ; 2] et que l'équation f(x)=xf(x) = x admet une unique solution α]1;2[\alpha \in ]1 ; 2[. Montre que pour tout x[1;2]x \in [1 ; 2], f(x)12|f'(x)| \le \frac{1}{2}, puis que la suite définie par u0=2u_0 = 2 et un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) vérifie pour tout nNn \in \mathbb{N} : un+1α12unα|u_{n+1} - \alpha| \le \frac{1}{2}|u_n - \alpha|.

1

On dérive ff sur [1;2][1 ; 2] :

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

Pour x[1;2]x \in [1 ; 2], on a x1x \ge 1, donc xx1x\sqrt{x} \ge 1. Par passage à l'inverse : 1xx1\frac{1}{x\sqrt{x}} \le 1. On en déduit :

f(x)=12xx12|f'(x)| = \frac{1}{2x\sqrt{x}} \le \frac{1}{2}
3

Comme u0=2[1;2]u_0 = 2 \in [1 ; 2] et que l'intervalle [1;2][1 ; 2] est stable par ff, une récurrence immédiate prouve que pour tout nNn \in \mathbb{N}, un[1;2]u_n \in [1 ; 2].

4

Les réels unu_n et α\alpha appartiennent tous deux à [1;2][1 ; 2]. D'après l'inégalité des accroissements finis en valeur absolue avec k=12k = \frac{1}{2} :

f(un)f(α)12unα|f(u_n) - f(\alpha)| \le \frac{1}{2}|u_n - \alpha|
5

Comme f(un)=un+1f(u_n) = u_{n+1} et f(α)=αf(\alpha) = \alpha, on conclut directement :

un+1α12unα|u_{n+1} - \alpha| \le \frac{1}{2}|u_n - \alpha|

Exemple travaillé · 34

On considère la suite (un)(u_n) vérifiant u0=2u_0 = 2 et pour tout nNn \in \mathbb{N}, un+1α12unα|u_{n+1} - \alpha| \le \frac{1}{2}|u_n - \alpha| avec α]1;2[\alpha \in ]1 ; 2[. Montre par récurrence que pour tout nNn \in \mathbb{N}, unα(12)n|u_n - \alpha| \le \left(\frac{1}{2}\right)^n, puis détermine la limite de la suite (un)(u_n).

1

Initialisation : pour n=0n = 0, u0α=2α|u_0 - \alpha| = |2 - \alpha|. Comme 1<α<21 < \alpha < 2, on a 0<2α<10 < 2 - \alpha < 1, donc :

u0α1=(12)0|u_0 - \alpha| \le 1 = \left(\frac{1}{2}\right)^0
2

Hérédité : supposons que pour un entier n0n \ge 0, unα(12)n|u_n - \alpha| \le \left(\frac{1}{2}\right)^n.

3

Au rang n+1n+1, on applique la relation de contraction et l'hypothèse de récurrence :

un+1α12unα12×(12)n=(12)n+1|u_{n+1} - \alpha| \le \frac{1}{2}|u_n - \alpha| \le \frac{1}{2} \times \left(\frac{1}{2}\right)^n = \left(\frac{1}{2}\right)^{n+1}
4

L'inégalité unα(12)n|u_n - \alpha| \le \left(\frac{1}{2}\right)^n est donc vraie pour tout entier naturel nn.

5

Comme 1<12<1-1 < \frac{1}{2} < 1, on a limn+(12)n=0\lim_{n \to +\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n = 0. Par le théorème des gendarmes encadrant unα0|u_n - \alpha| \ge 0 :

limn+unα=0    limn+un=α\lim_{n \to +\infty} |u_n - \alpha| = 0 \implies \lim_{n \to +\infty} u_n = \alpha

Vérification · 35

Une suite (un)(u_n) vérifie un+1=f(un)u_{n+1} = f(u_n) sur un intervalle où f(x)25|f'(x)| \le \frac{2}{5} et f(1)=1f(1) = 1. On donne u0=0u_0 = 0. Complète l'inégalité de majoration et la limite de (un)(u_n) :

Remarque

On a u01=01=1|u_0 - 1| = |0 - 1| = 1. L'inégalité des accroissements finis donne un+1125un1|u_{n+1}-1| \le \frac{2}{5}|u_n-1|, d'où par récurrence un1(25)n|u_n-1| \le \left(\frac{2}{5}\right)^n. Comme 0<25<10 < \frac{2}{5} < 1, la suite géométrique tend vers 00 et limn+un=1\lim_{n \to +\infty} u_n = 1.

Point de départ · 36

Soit la fonction cube f(x)=x3f(x) = x^3. Au point O(0,0)O(0,0), la tangente à la courbe est l'axe des abscisses d'équation y=0y = 0. Comment se positionne la courbe par rapport à sa tangente au voisinage de 00 ?

Remarque

Pour x>0x > 0, x3>0x^3 > 0 : la courbe est située au-dessus de sa tangente. Pour x<0x < 0, x3<0x^3 < 0 : la courbe est située au-dessous. La courbe traverse sa tangente en (0,0)(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 ff une fonction dérivable en aa. On dit que le point I(a,f(a))I(a, f(a)) est un point d'inflexion de la courbe CfC_f si CfC_f traverse sa tangente en ce point.

f est deux fois deˊrivable sur un intervalle ouvert contenant af \text{ est deux fois dérivable 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 signeI(a, f(a)) \text{ est un point d'inflexion de } C_f \iff f''(x) \text{ s'annule en } a \text{ en changeant de signe}

Piège classique · 38

Soit la fonction g(x)=x4g(x) = x^4 définie sur R\mathbb{R}. Sa dérivée seconde est g(x)=12x2g''(x) = 12x^2. On constate que g(0)=0g''(0) = 0. Le point O(0,0)O(0,0) est-il un point d'inflexion de la courbe de gg ?

Attention

Conclure qu'un point est un point d'inflexion dès que la dérivée seconde s'annule (g(0)=0g''(0) = 0).

À la place : L'annulation seule ne suffit pas : la dérivée seconde doit impérativement changer de signe. Ici, pour tout x0x \ne 0, g(x)=12x2>0g''(x) = 12x^2 > 0. Comme gg'' garde un signe constant positif, la courbe ne traverse pas sa tangente en 00 (elle reste entièrement au-dessus) : (0,0)(0,0) n'est pas un point d'inflexion.

Exemple travaillé · 39

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x46x2+1f(x) = x^4 - 6x^2 + 1. Montre que la courbe CfC_f admet deux points d'inflexion et détermine leurs coordonnées.

1

La fonction ff est polynomiale, donc deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On calcule sa dérivée première puis sa dérivée seconde :

f(x)=4x312x    f(x)=12x212f'(x) = 4x^3 - 12x \implies f''(x) = 12x^2 - 12
2

On factorise f(x)f''(x) pour trouver ses racines :

f(x)=12(x21)=12(x1)(x+1)f''(x) = 12(x^2 - 1) = 12(x - 1)(x + 1)
3

Les racines de ff'' sont 1-1 et 11. Le trinôme 12x21212x^2 - 12 est strictement positif à l'extérieur des racines et strictement négatif à l'intérieur : ff'' s'annule donc en changeant de signe en 1-1 et en 11.

4

On calcule les ordonnées des deux points d'inflexion :

f(1)=(1)46(1)2+1=4etf(1)=146(1)2+1=4f(-1) = (-1)^4 - 6(-1)^2 + 1 = -4 \quad \text{et} \quad f(1) = 1^4 - 6(1)^2 + 1 = -4
5

La courbe CfC_f admet exactement deux points d'inflexion : I1(1,4)I_1(-1, -4) et I2(1,4)I_2(1, -4).

Exemple travaillé · 40

Soit la fonction gg définie sur [0;π][0 ; \pi] par g(x)=1+12cosxg(x) = 1 + \frac{1}{2}\cos x. Montre que la courbe CgC_g admet un unique point d'inflexion dont on précisera les coordonnées.

1

La fonction gg est deux fois dérivable sur [0;π][0 ; \pi]. On calcule ses dérivées successives :

g(x)=12sinx    g(x)=12cosxg'(x) = -\frac{1}{2}\sin x \implies g''(x) = -\frac{1}{2}\cos x
2

On cherche les annulations de g(x)g''(x) sur l'intervalle [0;π][0 ; \pi] :

g(x)=0    cosx=0    x=π2g''(x) = 0 \iff \cos x = 0 \iff x = \frac{\pi}{2}
3

On étudie le signe de g(x)g''(x) de part et d'autre de π2\frac{\pi}{2} :
- Pour x[0;π2[x \in [0 ; \frac{\pi}{2}[, cosx>0\cos x > 0, d'où g(x)<0g''(x) < 0.
- Pour x]π2;π]x \in ]\frac{\pi}{2} ; \pi], cosx<0\cos x < 0, d'où g(x)>0g''(x) > 0.

4

La dérivée seconde s'annule en π2\frac{\pi}{2} en changeant de signe (de négatif à positif). La courbe CgC_g admet donc un unique point d'inflexion II d'abscisse π2\frac{\pi}{2}.

5

On calcule son ordonnée :

g(π2)=1+12cos(π2)=1+0=1g\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1 + \frac{1}{2}\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 1 + 0 = 1
6

Le point d'inflexion de CgC_g est I(π2,1)I\left(\frac{\pi}{2}, 1\right).

Vérification · 41

Soit la fonction h(x)=x33x2+5h(x) = x^3 - 3x^2 + 5. Complète les coordonnées du point d'inflexion II de sa courbe représentative :

Remarque

On calcule h(x)=3x26xh'(x) = 3x^2 - 6x puis h(x)=6x6=6(x1)h''(x) = 6x - 6 = 6(x-1). La dérivée seconde s'annule et change de signe en x=1x = 1. L'ordonnée correspondante est h(1)=133(1)2+5=3h(1) = 1^3 - 3(1)^2 + 5 = 3. Le point d'inflexion est donc I(1,3)I(1, 3).

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