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Etudes de fonctions — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Soit ff une fonction vérifiant limx2+f(x)=+\lim_{x \to 2^+} f(x) = +\infty et limx+f(x)=1\lim_{x \to +\infty} f(x) = -1. Complète les équations des asymptotes associées :

Remarque

Une limite infinie en un réel aa donne une asymptote verticale d'équation x=ax = a. Une limite finie LL en ±\pm\infty donne une asymptote horizontale d'équation y=Ly = L.

Point de départ · 2

Soit f(x)=2x+1+1xf(x) = 2x + 1 + \frac{1}{x} pour x>0x > 0. Lorsque xx devient infiniment grand, de quelle droite la courbe Cf\mathcal{C}_f semble-t-elle se rapprocher ?

Remarque

Pour de très grandes valeurs de xx, le terme 1x\frac{1}{x} devient négligeable devant 2x+12x + 1. La courbe épouse ainsi la droite oblique d'équation y=2x+1y = 2x + 1.

Définition · 3

Définition de l'asymptote oblique

limx+[f(x)(ax+b)]=0    Cf admet la droite Δ:y=ax+b comme asymptote oblique en +\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (ax + b)] = 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ admet la droite } \Delta : y = ax + b \text{ comme asymptote oblique en } +\infty

En pratique, si une fonction s'écrit sous la forme f(x)=ax+b+g(x)f(x) = ax + b + g(x) avec limx+g(x)=0\lim_{x \to +\infty} g(x) = 0 (où a0a \neq 0), la droite Δ:y=ax+b\Delta : y = ax + b est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de ++\infty.

Piège classique · 4

Soit f(x)=3x2+5x+1f(x) = 3x - 2 + \frac{5}{x + 1} pour x>1x > -1. Pour prouver que la droite d'équation y=3x2y = 3x - 2 est asymptote oblique en ++\infty, quelle démarche est la plus rapide ?

Attention

Calculer le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} puis chercher une limite de différence alors que l'expression contient déjà sa partie affine isolée.

À la place : Calculer directement limx+[f(x)(3x2)]=limx+5x+1=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (3x - 2)] = \lim_{x \to +\infty} \frac{5}{x+1} = 0. Inutile de passer par le quotient f(x)x\frac{f(x)}{x}.

Définition · 5

Position relative d'une courbe par rapport à son asymptote

f(x)(ax+b)>0    Cf est strictement au-dessus de Δ:y=ax+bf(x) - (ax + b) > 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessus de } \Delta : y = ax + b

f(x)(ax+b)<0    Cf est strictement au-dessous de Δ:y=ax+bf(x) - (ax + b) < 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ est strictement au-dessous de } \Delta : y = ax + b

La position relative s'obtient toujours par l'étude du signe de la différence f(x)yΔf(x) - y_\Delta. Si la différence s'annule en un point x0x_0, la courbe coupe son asymptote en ce point.

Exemple travaillé · 6

Soit ff la fonction définie sur ]1;+[]1 ; +\infty[ par f(x)=2x2+x4x1f(x) = \frac{2x^2 + x - 4}{x - 1}. Déterminer l'asymptote oblique Δ\Delta en ++\infty et la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta.

1

On effectue la division euclidienne du numérateur par x1x - 1 pour isoler la partie affine :

2
f(x)=2x+31x1f(x) = 2x + 3 - \frac{1}{x - 1}
3

On forme la différence avec la partie affine y=2x+3y = 2x + 3 :

4
f(x)(2x+3)=1x1f(x) - (2x + 3) = -\frac{1}{x - 1}
5

Comme limx+(1x1)=0\lim_{x \to +\infty} \left(-\frac{1}{x - 1}\right) = 0, la droite Δ:y=2x+3\Delta : y = 2x + 3 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty.

6

Pour tout x>1x > 1, on a x1>0x - 1 > 0, d'où 1x1<0-\frac{1}{x - 1} < 0. La courbe Cf\mathcal{C}_f est donc strictement au-dessous de Δ\Delta sur ]1;+[]1 ; +\infty[.

Exemple travaillé · 7

Soit ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x1x2+1f(x) = x - \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}. Montrer que la droite Δ:y=x\Delta : y = x est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de ++\infty et de -\infty, puis préciser la position de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta.

1

On isole la différence entre f(x)f(x) et la fonction affine y=xy = x :

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

Comme limx+x2+1=+\lim_{x \to +\infty} \sqrt{x^2 + 1} = +\infty et limxx2+1=+\lim_{x \to -\infty} \sqrt{x^2 + 1} = +\infty, on a :

4
limx+[f(x)x]=0etlimx[f(x)x]=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - x] = 0 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to -\infty} [f(x) - x] = 0
5

La droite Δ:y=x\Delta : y = x est donc une asymptote oblique commune à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty et en -\infty.

6

Pour tout xRx \in \mathbb{R}, x2+1>0\sqrt{x^2 + 1} > 0, donc f(x)x<0f(x) - x < 0. La courbe Cf\mathcal{C}_f est située strictement au-dessous de Δ\Delta sur tout R\mathbb{R}.

Vérification · 8

Soit ff définie sur ]2;+[]2 ; +\infty[ par f(x)=x1+3(x2)2f(x) = x - 1 + \frac{3}{(x - 2)^2}. Quelle est l'asymptote oblique Δ\Delta à Cf\mathcal{C}_f en ++\infty et la position de Cf\mathcal{C}_f par rapport à Δ\Delta ?

Remarque

La différence vaut f(x)(x1)=3(x2)2f(x) - (x - 1) = \frac{3}{(x - 2)^2}. Elle tend vers 00 en ++\infty (donc Δ:y=x1\Delta : y = x - 1 est asymptote) et reste strictement positive pour tout x>2x > 2, ce qui place Cf\mathcal{C}_f au-dessus de Δ\Delta.

Point de départ · 9

Soit ff la fonction définie sur ]0;+[]0 ; +\infty[ par f(x)=x+xf(x) = x + \sqrt{x}. On a limx+f(x)x=1\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 1. La courbe Cf\mathcal{C}_f se rapproche-t-elle de la droite d'équation y=xy = x au voisinage de ++\infty ?

Remarque

Bien que le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} tende vers 11, l'écart vertical f(x)x=xf(x) - x = \sqrt{x} tend vers ++\infty. La courbe s'écarte indéfiniment de la droite tout en suivant sa direction : c'est une branche parabolique, pas une asymptote.

Définition · 10

Classification des branches infinies et branches paraboliques

Lorsque limx±f(x)=±\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = \pm\infty, on étudie la limite du rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} pour déterminer la direction asymptotique de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

limx±f(x)x=0    Cf admet une branche parabolique de direction l’axe (Ox)\lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = 0 \iff \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction l'axe } (Ox)

limx±f(x)x=±    Cf admet une branche parabolique de direction l’axe (Oy)\lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = \pm\infty \iff \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction l'axe } (Oy)

{limx±f(x)x=a(aR)limx±[f(x)ax]=±    Cf admet une branche parabolique de direction la droite y=ax\begin{cases} \lim_{x \to \pm\infty} \frac{f(x)}{x} = a \quad (a \in \mathbb{R}^*) \\[1mm] \lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - ax] = \pm\infty \end{cases} \iff \mathcal{C}_f \text{ admet une branche parabolique de direction la droite } y = ax

Piège classique · 11

Pour une fonction ff, on obtient limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty et limx+f(x)x=2\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 2. Que peut-on conclure à ce stade ?

Attention

Conclure immédiatement que la droite d'équation y=2xy = 2x est asymptote oblique.

À la place : Le rapport f(x)x2\frac{f(x)}{x} \to 2 indique seulement une direction asymptotique de pente 22. Pour conclure, il faut impérativement étudier la limite de la différence f(x)2xf(x) - 2x : si elle diverge vers l'infini, c'est une branche parabolique de direction y=2xy = 2x, et non une asymptote.

Exemple travaillé · 12

Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de ++\infty de la courbe de la fonction ff définie sur [1;+[[-1 ; +\infty[ par f(x)=2x+x+1f(x) = 2x + \sqrt{x + 1}.

1

On évalue d'abord la limite de f(x)f(x) en ++\infty par somme :

2
limx+2x=+etlimx+x+1=+    limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} 2x = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x + 1} = +\infty \implies \lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty
3

On forme le rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} pour x>0x > 0 et on calcule sa limite :

4
f(x)x=2+x+1x=2+1x+1x2    limx+f(x)x=2\frac{f(x)}{x} = 2 + \frac{\sqrt{x + 1}}{x} = 2 + \sqrt{\frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} \implies \lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = 2
5

Le rapport tend vers une constante finie non nulle a=2a = 2. On étudie alors la limite de la différence f(x)2xf(x) - 2x :

6
limx+[f(x)2x]=limx+x+1=+\lim_{x \to +\infty} [f(x) - 2x] = \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x + 1} = +\infty
7

Comme cette limite est infinie, Cf\mathcal{C}_f admet au voisinage de ++\infty une branche parabolique de direction asymptotique la droite d'équation y=2xy = 2x.

Exemple travaillé · 13

Déterminer la nature de la branche infinie au voisinage de ++\infty de la fonction ff définie sur [1;+[[1 ; +\infty[ par f(x)=xx1f(x) = x\sqrt{x - 1}.

1

On vérifie la limite de f(x)f(x) en ++\infty par produit :

2
limx+x=+etlimx+x1=+    limx+f(x)=+\lim_{x \to +\infty} x = +\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x - 1} = +\infty \implies \lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty
3

On simplifie directement le quotient f(x)x\frac{f(x)}{x} pour tout x>1x > 1 :

4
f(x)x=xx1x=x1\frac{f(x)}{x} = \frac{x\sqrt{x - 1}}{x} = \sqrt{x - 1}
5

On en déduit la limite du quotient :

6
limx+f(x)x=limx+x1=+\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to +\infty} \sqrt{x - 1} = +\infty
7

Puisque f(x)x+\frac{f(x)}{x} \to +\infty, la courbe Cf\mathcal{C}_f admet au voisinage de ++\infty une branche parabolique de direction celle de l'axe des ordonnées (O,j)(O, \vec{j}).

Vérification · 14

Complète la direction de chaque branche parabolique au voisinage de ++\infty selon le comportement du rapport f(x)x\frac{f(x)}{x} et de la différence :

Remarque

Un quotient qui s'annule produit une branche parabolique écrasée vers l'horizontale (Ox)(Ox) ; un quotient infini dresse la courbe vers la verticale (Oy)(Oy) ; un quotient fini non nul avec une différence infinie oriente la parabole selon la droite y=axy = ax.

Rappel · 15

Pour tout réel strictement négatif x<0x < 0, quelle est l'écriture simplifiée de x2\sqrt{x^2} ?

Remarque

Par définition de la racine carrée, x2=x\sqrt{x^2} = |x|. Lorsque x<0x < 0, la valeur absolue de xx vaut x-x, un nombre strictement positif.

Définition · 16

Radicaux quadratiques au voisinage de -\infty

Pour étudier le comportement asymptotique en -\infty d'une expression comportant ax2+bx+c\sqrt{ax^2+bx+c} (avec a>0a > 0), on extrait x2x^2 du radical en appliquant la valeur absolue pour x<0x < 0 :

ax2+bx+c=x2(a+bx+cx2)=xa+bx+cx2=xa+bx+cx2\sqrt{ax^2+bx+c} = \sqrt{x^2\left(a + \frac{b}{x} + \frac{c}{x^2}\right)} = |x|\sqrt{a + \frac{b}{x} + \frac{c}{x^2}} = -x\sqrt{a + \frac{b}{x} + \frac{c}{x^2}}

Si une forme indéterminée +-\infty + \infty subsiste après factorisation (compensation exacte des termes en xx), on utilise l'expression conjuguée pour lever l'indétermination.

Piège classique · 17

On cherche la limite en -\infty de x2+1x\frac{\sqrt{x^2+1}}{x}. Quel est le calcul correct pour tout x<0x < 0 ?

Attention

Écrire x2+1=x1+1x2\sqrt{x^2+1} = x\sqrt{1+\frac{1}{x^2}} pour x<0x < 0, ce qui produit une limite fausse égale à +1+1.

À la place : Comme x<0x < 0, on a x2=x\sqrt{x^2} = -x. Le quotient s'écrit x1+1/x2x=1+1/x2\frac{-x\sqrt{1+1/x^2}}{x} = -\sqrt{1+1/x^2}, dont la limite en -\infty est 1-1.

Exemple travaillé · 18

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x+x2+1f(x) = x + \sqrt{x^2 + 1}. Déterminer la nature de la branche infinie de sa courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de -\infty.

1

En -\infty, on observe une forme indéterminée +-\infty + \infty car limxx=\lim_{x \to -\infty} x = -\infty et limxx2+1=+\lim_{x \to -\infty} \sqrt{x^2 + 1} = +\infty.

2

Les termes dominants se compensant (puisque x2=x\sqrt{x^2} = -x), on multiplie et on divise par l'expression conjuguée xx2+1x - \sqrt{x^2 + 1} :

3
f(x)=(x+x2+1)(xx2+1)xx2+1=x2(x2+1)xx2+1=1xx2+1f(x) = \frac{(x + \sqrt{x^2 + 1})(x - \sqrt{x^2 + 1})}{x - \sqrt{x^2 + 1}} = \frac{x^2 - (x^2 + 1)}{x - \sqrt{x^2 + 1}} = \frac{-1}{x - \sqrt{x^2 + 1}}
4

Quand xx \to -\infty, on a xx \to -\infty et x2+1-\sqrt{x^2 + 1} \to -\infty, d'où par somme :

5
limx(xx2+1)=    limxf(x)=0\lim_{x \to -\infty} (x - \sqrt{x^2 + 1}) = -\infty \implies \lim_{x \to -\infty} f(x) = 0
6

Puisque la limite en -\infty est finie et égale à 00, la droite d'équation y=0y = 0 (l'axe des abscisses) est asymptote horizontale à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de -\infty.

Exemple travaillé · 19

Soit f(x)=x2+x+1f(x) = \sqrt{x^2 + x + 1} définie sur R\mathbb{R}. Montrer que la droite Δ:y=x12\Delta : y = -x - \frac{1}{2} est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de -\infty.

1

Pour x<0x < 0, on factorise sous le radical par x2x^2 en extrayant x=x|x| = -x :

2
f(x)=x2(1+1x+1x2)=x1+1x+1x2f(x) = \sqrt{x^2\left(1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}\right)} = -x\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}}
3

On calcule d'abord le coefficient directeur : limxf(x)x=limx1+1x+1x2=1\lim_{x \to -\infty} \frac{f(x)}{x} = \lim_{x \to -\infty} -\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} = -1.

4

On étudie ensuite la somme f(x)(x)=f(x)+xf(x) - (-x) = f(x) + x en utilisant l'expression conjuguée :

5
f(x)+x=(x2+x+1+x)(x2+x+1x)x2+x+1x=x+1x2+x+1xf(x) + x = \frac{(\sqrt{x^2+x+1}+x)(\sqrt{x^2+x+1}-x)}{\sqrt{x^2+x+1}-x} = \frac{x+1}{\sqrt{x^2+x+1}-x}
6

Pour x<0x < 0, on factorise par xx au numérateur et au dénominateur (en remplaçant x2+x+1\sqrt{x^2+x+1} par x1+1/x+1/x2-x\sqrt{1+1/x+1/x^2}) :

7
f(x)+x=x(1+1x)x(1+1x+1x2+1)=1+1x1+1x+1x2+1f(x) + x = \frac{x\left(1 + \frac{1}{x}\right)}{-x\left(\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1\right)} = -\frac{1 + \frac{1}{x}}{\sqrt{1 + \frac{1}{x} + \frac{1}{x^2}} + 1}
8

Quand xx \to -\infty, ce quotient tend vers 11+1=12-\frac{1}{1 + 1} = -\frac{1}{2}. Comme limx[f(x)(x)]=12\lim_{x \to -\infty} [f(x) - (-x)] = -\frac{1}{2}, la droite d'équation y=x12y = -x - \frac{1}{2} est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en -\infty.

Vérification · 20

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x+x2+1f(x) = x + \sqrt{x^2 + 1}. Quelles sont les asymptotes à la courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de ++\infty et de -\infty ?

Remarque

En ++\infty, f(x)=x+x1+1/x2f(x) = x + x\sqrt{1+1/x^2}, donc f(x)x2\frac{f(x)}{x} \to 2 et f(x)2x=1x2+1+x0f(x) - 2x = \frac{1}{\sqrt{x^2+1}+x} \to 0 (asymptote y=2xy = 2x). En -\infty, l'expression conjuguée donne limxf(x)=0\lim_{x \to -\infty} f(x) = 0 (asymptote y=0y = 0).

Rappel · 21

Soit ff une fonction définie sur un intervalle contenant x0x_0. Quelle condition traduit la dérivabilité de ff en x0x_0 ?

Remarque

La continuité en x0x_0 ne suffit pas : pour que ff soit dérivable en x0x_0, la limite du taux d'accroissement doit être un nombre réel fini \ell, appelé nombre dérivé et noté f(x0)f'(x_0).

Définition · 22

Dérivabilité unilatérale et demi-tangente verticale

limxa+f(x)f(a)xa=±    f n’est pas deˊrivable aˋ droite en a\lim_{x \to a^+} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = \pm\infty \implies f \text{ n'est pas dérivable à droite en } a

Dans ce cas, la courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point A(a,f(a))A(a, f(a)) une demi-tangente verticale portée par la droite d'équation x=ax = a :

limxa+f(x)f(a)xa=+    demi-tangente dirigeˊe vers le haut\lim_{x \to a^+} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = +\infty \implies \text{demi-tangente dirigée vers le haut}
limxa+f(x)f(a)xa=    demi-tangente dirigeˊe vers le bas\lim_{x \to a^+} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = -\infty \implies \text{demi-tangente dirigée vers le bas}

Piège classique · 23

Soit gg la fonction définie sur [0;+[[0 ; +\infty[ par g(x)=xxg(x) = x\sqrt{x}. La fonction gg est-elle dérivable à droite en 00 ?

Attention

Conclure que gg n'est pas dérivable en 0 sous prétexte que la fonction racine carrée xxx \mapsto \sqrt{x} ne l'est pas.

À la place : Il faut impérativement calculer la limite du taux d'accroissement : limx0+g(x)g(0)x0=limx0+xxx=limx0+x=0\lim_{x \to 0^+} \frac{g(x) - g(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0^+} \frac{x\sqrt{x}}{x} = \lim_{x \to 0^+} \sqrt{x} = 0. La limite est finie, donc gg est dérivable à droite en 00 et admet une demi-tangente horizontale en (0,0)(0,0).

Exemple travaillé · 24

Soit f(x)=x21f(x) = \sqrt{x^2 - 1} définie sur [1;+[[1 ; +\infty[. Étudier la dérivabilité de ff à droite en 11 et interpréter graphiquement le résultat.

1

On a f(1)=0f(1) = 0. On forme le taux d'accroissement pour tout x>1x > 1 :

2
f(x)f(1)x1=x21x1\frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = \frac{\sqrt{x^2 - 1}}{x - 1}
3

Comme x>1x > 1, on a x1>0x - 1 > 0, donc x1=(x1)2x - 1 = \sqrt{(x - 1)^2} :

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

Quand x1+x \to 1^+, le numérateur tend vers 22 et le dénominateur vers 0+0^+, donc :

6
limx1+f(x)f(1)x1=+\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x) - f(1)}{x - 1} = +\infty
7

La fonction ff n'est pas dérivable à droite en 11. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point (1,0)(1, 0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Exemple travaillé · 25

Soit f(x)=4x2f(x) = \sqrt{4 - x^2} définie sur [2;2][-2 ; 2]. Étudier la dérivabilité de ff à gauche en 22 et préciser la demi-tangente à Cf\mathcal{C}_f en ce point.

1

On a f(2)=0f(2) = 0. On écrit le taux d'accroissement pour tout x[2;2[x \in [-2 ; 2[ :

2
f(x)f(2)x2=4x2x2\frac{f(x) - f(2)}{x - 2} = \frac{\sqrt{4 - x^2}}{x - 2}
3

Pour x<2x < 2, on a x2<0x - 2 < 0, donc x2=(2x)=(2x)2x - 2 = -(2 - x) = -\sqrt{(2 - x)^2} :

4
(2x)(2+x)(2x)2=2+x2x\frac{\sqrt{(2 - x)(2 + x)}}{-\sqrt{(2 - x)^2}} = -\sqrt{\frac{2 + x}{2 - x}}
5

Quand x2x \to 2^-, on a 2+x42 + x \to 4 et 2x0+2 - x \to 0^+, d'où :

6
limx2f(x)f(2)x2=\lim_{x \to 2^-} \frac{f(x) - f(2)}{x - 2} = -\infty
7

La fonction ff n'est pas dérivable à gauche en 22. La courbe Cf\mathcal{C}_f admet une demi-tangente verticale au point (2,0)(2, 0).

Vérification · 26

Soit ff une fonction définie sur [3;+[[3 ; +\infty[ telle que limx3+f(x)f(3)x3=\lim_{x \to 3^+} \frac{f(x) - f(3)}{x - 3} = -\infty. Que peut-on affirmer pour la courbe Cf\mathcal{C}_f au point (3,f(3))(3, f(3)) ?

Remarque

La limite du taux de variation étant -\infty à droite de 33, ff n'est pas dérivable à droite en 33. La courbe Cf\mathcal{C}_f présente en ce point une demi-tangente verticale dirigée vers le bas.

Point de départ · 27

On considère les fonctions f(x)=x3f(x) = x^3 et g(x)=x4g(x) = x^4. Leurs dérivées secondes s'annulent toutes deux en 00 : f(0)=0f''(0) = 0 et g(0)=0g''(0) = 0. La tangente en 00 (l'axe des abscisses) traverse-t-elle la courbe dans les deux cas ?

Remarque

Pour f(x)=x3f(x) = x^3, la courbe traverse sa tangente horizontale en (0,0)(0,0) : elle passe de dessous à dessus. Pour g(x)=x4g(x) = x^4, la courbe reste constamment au-dessus de sa tangente (x40x^4 \ge 0). Seul le premier cas constitue un point d'inflexion.

Définition · 28

Point d'inflexion et dérivée seconde

f(x0)=0 en changeant de signe en x0    I(x0,f(x0)) est un point d’inflexion de Cff''(x_0) = 0 \text{ en changeant de signe en } x_0 \iff I(x_0, f(x_0)) \text{ est un point d'inflexion de } \mathcal{C}_f

Géométriquement, en un point d'inflexion, la tangente traverse la courbe représentative Cf\mathcal{C}_f. Cela se traduit analytiquement par le changement de signe de la différence f(x)yTf(x) - y_T de part et d'autre de x0x_0.

Piège classique · 29

Soit ff une fonction deux fois dérivable en aa. Si f(a)=0f''(a) = 0, peut-on affirmer que la courbe Cf\mathcal{C}_f admet un point d'inflexion d'abscisse aa ?

Attention

Conclure à l'existence d'un point d'inflexion dès que la dérivée seconde s'annule en aa.

À la place : L'annulation seule ne suffit pas : il faut impérativement que ff'' change de signe de part et d'autre de aa. Si ff'' s'annule sans changer de signe (comme pour g(x)=x4g(x) = x^4g(x)=12x20g''(x) = 12x^2 \ge 0), la courbe reste du même côté de sa tangente et il n'y a pas d'inflexion.

Exemple travaillé · 30

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=18x3+x4f(x) = \frac{1}{8}x^3 + x - 4. Montrer que la courbe Cf\mathcal{C}_f admet un point d'inflexion II et donner une équation de la tangente TT en ce point.

1

On calcule la dérivée première de ff pour tout xRx \in \mathbb{R} :

2
f(x)=38x2+1f'(x) = \frac{3}{8}x^2 + 1
3

On calcule la dérivée seconde f(x)f''(x) :

4
f(x)=34xf''(x) = \frac{3}{4}x
5

On étudie l'annulation et le signe de f(x)f''(x) : f(x)=0    x=0f''(x) = 0 \iff x = 0. Pour x<0x < 0, f(x)<0f''(x) < 0 et pour x>0x > 0, f(x)>0f''(x) > 0.

6

Puisque ff'' s'annule en 00 en changeant de signe, le point I(0,f(0))=I(0,4)I(0, f(0)) = I(0, -4) est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f.

7

On détermine la tangente TT en II : f(0)=1f'(0) = 1, d'où T:y=1(x0)4T : y = 1(x - 0) - 4, soit y=x4y = x - 4.

Exemple travaillé · 31

Soit f(x)=x+xx2+1f(x) = x + \frac{x}{\sqrt{x^2 + 1}} définie sur R\mathbb{R}. La tangente à Cf\mathcal{C}_f en l'origine O(0,0)O(0,0) a pour équation T:y=2xT : y = 2x. Montrer que OO est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f en étudiant la position relative de Cf\mathcal{C}_f par rapport à TT.

1

On étudie le signe de la différence f(x)2xf(x) - 2x pour tout xRx \in \mathbb{R} :

2
f(x)2x=xx2+1x=x(1x2+1)x2+1f(x) - 2x = \frac{x}{\sqrt{x^2 + 1}} - x = \frac{x\left(1 - \sqrt{x^2 + 1}\right)}{\sqrt{x^2 + 1}}
3

On multiplie par l'expression conjuguée 1+x2+1>01 + \sqrt{x^2 + 1} > 0 pour déterminer le signe du facteur numérateur :

4
f(x)2x=x(1(x2+1))x2+1(1+x2+1)=x3x2+1(1+x2+1)f(x) - 2x = \frac{x(1 - (x^2 + 1))}{\sqrt{x^2 + 1}\left(1 + \sqrt{x^2 + 1}\right)} = \frac{-x^3}{\sqrt{x^2 + 1}\left(1 + \sqrt{x^2 + 1}\right)}
5

Le dénominateur est strictement positif sur R\mathbb{R}. Le signe de la différence est donc celui de x3-x^3 :

6

Pour x<0x < 0, f(x)2x>0f(x) - 2x > 0 (Cf\mathcal{C}_f est au-dessus de TT). Pour x>0x > 0, f(x)2x<0f(x) - 2x < 0 (Cf\mathcal{C}_f est au-dessous de TT).

7

La différence change de signe en 00 : la tangente TT traverse Cf\mathcal{C}_f en O(0,0)O(0,0), ce qui prouve que OO est un point d'inflexion.

Vérification · 32

Soit ff une fonction deux fois dérivable sur R\mathbb{R} dont la dérivée seconde est f(x)=(x2)2(x+1)f''(x) = (x - 2)^2(x + 1). Quels sont les points d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

En x=2x = 2, le facteur (x2)2(x - 2)^2 reste positif ou nul : ff'' s'annule sans changer de signe, donc il n'y a pas d'inflexion en 22. En x=1x = -1, le facteur x+1x + 1 s'annule en changeant de signe : la courbe admet un unique point d'inflexion d'abscisse 1-1.

Point de départ · 33

Pour une fonction paire, la courbe est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées (x=0x = 0), ce qui se traduit par f(x)=f(x)f(-x) = f(x). Si l'on décale cet axe vertical vers la droite d'équation x=ax = a, quelle relation relie les ordonnées de deux points situés à égale distance hh de l'axe ?

Remarque

Deux points symétriques par rapport à la droite x=ax = a ont pour abscisses aha - h et a+ha + h. Pour que la droite soit axe de symétrie de la courbe, ils doivent avoir la même ordonnée : f(ah)=f(a+h)f(a - h) = f(a + h).

Définition · 34

Éléments de symétrie d'une courbe représentative

La droite Δ:x=a est axe de symeˊtrie de Cf    {xDf,(2ax)Dff(2ax)=f(x)\text{La droite } \Delta : x = a \text{ est axe de symétrie de } \mathcal{C}_f \iff \begin{cases} \forall x \in D_f, \quad (2a - x) \in D_f \\[1mm] f(2a - x) = f(x) \end{cases}

Le point Ω(a,b) est centre de symeˊtrie de Cf    {xDf,(2ax)Dff(2ax)+f(x)=2b\text{Le point } \Omega(a, b) \text{ est centre de symétrie de } \mathcal{C}_f \iff \begin{cases} \forall x \in D_f, \quad (2a - x) \in D_f \\[1mm] f(2a - x) + f(x) = 2b \end{cases}

De manière équivalente, en posant x=a+hx = a + h, le point Ω(a,b)\Omega(a, b) est centre de symétrie si et seulement si pour tout hh tel que (a+h)Df(a+h) \in D_f, on a (ah)Df(a-h) \in D_f et f(a+h)+f(ah)=2bf(a+h) + f(a-h) = 2b.

Piège classique · 35

Pour montrer que le point Ω(3,5)\Omega(-3, -5) est un centre de symétrie de la courbe de f(x)=2x2+7x1x+3f(x) = \frac{2x^2+7x-1}{x+3}, définie sur R{3}\mathbb{R} \setminus \{-3\}, quelle étape préalable est indispensable ?

Attention

Calculer directement la somme f(6x)+f(x)f(-6 - x) + f(x) sans vérifier l'appartenance du symétrique au domaine de définition.

À la place : Il faut d'abord prouver que pour tout xDfx \in D_f, son symétrique 2ax=6x2a - x = -6 - x appartient aussi à DfD_f. Ici, 6x=3    x=3-6 - x = -3 \iff x = -3, donc si x3x \neq -3, alors (6x)3(-6 - x) \neq -3.

Exemple travaillé · 36

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x24x+5f(x) = \sqrt{x^2 - 4x + 5}. Montrer que la droite d'équation x=2x = 2 est un axe de symétrie de sa courbe représentative Cf\mathcal{C}_f.

1

L'ensemble de définition est Df=RD_f = \mathbb{R}. Pour tout xRx \in \mathbb{R}, on a 2(2)x=4xR2(2) - x = 4 - x \in \mathbb{R}.

2

On exprime le trinôme sous sa forme canonique pour simplifier les calculs :

3
f(x)=(x2)2+1f(x) = \sqrt{(x - 2)^2 + 1}
4

On évalue f(4x)f(4 - x) pour tout réel xx :

5
f(4x)=((4x)2)2+1=(2x)2+1=(x2)2+1=f(x)f(4 - x) = \sqrt{((4 - x) - 2)^2 + 1} = \sqrt{(2 - x)^2 + 1} = \sqrt{(x - 2)^2 + 1} = f(x)
6

Puisque pour tout xRx \in \mathbb{R}, 4xR4 - x \in \mathbb{R} et f(4x)=f(x)f(4 - x) = f(x), la droite d'équation x=2x = 2 est un axe de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 37

Soit ff la fonction définie sur R{3}\mathbb{R} \setminus \{-3\} par f(x)=2x2+7x1x+3f(x) = \frac{2x^2 + 7x - 1}{x + 3}. Montrer que le point Ω(3,5)\Omega(-3, -5) est un centre de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

Pour tout xR{3}x \in \mathbb{R} \setminus \{-3\}, on a 2(3)x=6x32(-3) - x = -6 - x \neq -3 car x3x \neq -3. Donc (6x)Df(-6 - x) \in D_f.

2

On décompose la fraction rationnelle pour isoler sa partie affine :

3
f(x)=2x+14x+3f(x) = 2x + 1 - \frac{4}{x + 3}
4

On évalue f(6x)f(-6 - x) :

5
f(6x)=2(6x)+14(6x)+3=2x11+4x+3f(-6 - x) = 2(-6 - x) + 1 - \frac{4}{(-6 - x) + 3} = -2x - 11 + \frac{4}{x + 3}
6

On effectue la somme des ordonnées symétriques :

7
f(6x)+f(x)=(2x11+4x+3)+(2x+14x+3)=10f(-6 - x) + f(x) = \left(-2x - 11 + \frac{4}{x + 3}\right) + \left(2x + 1 - \frac{4}{x + 3}\right) = -10
8

Comme 10=2×(5)-10 = 2 \times (-5), on a bien f(6x)+f(x)=2bf(-6 - x) + f(x) = 2b. Le point Ω(3,5)\Omega(-3, -5) est donc centre de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Vérification · 38

Soit ff une fonction définie sur R\mathbb{R} vérifiant pour tout réel xx la relation f(6x)+f(x)=4f(6 - x) + f(x) = 4. Quel élément de symétrie la courbe Cf\mathcal{C}_f admet-elle ?

Remarque

La relation s'identifie à f(2ax)+f(x)=2bf(2a - x) + f(x) = 2b avec 2a=6    a=32a = 6 \implies a = 3 et 2b=4    b=22b = 4 \implies b = 2. Le point Ω(3,2)\Omega(3, 2) est donc un centre de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

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