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Dérivabilité — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant x0x_0. Si ff n'est pas continue en x0x_0, que peut-on affirmer sur sa dérivabilité en x0x_0 ?

Remarque

Théorème fondamental : la dérivabilité en un point impose nécessairement la continuité en ce point. Par contraposée, si ff n'est pas continue en x0x_0, elle ne peut en aucun cas être dérivable en x0x_0.

Définition · 2

Dérivabilité unilatérale et condition de dérivabilité

Soit ff une fonction définie sur un intervalle ouvert contenant x0x_0. La dérivabilité en x0x_0 exige l'existence et l'égalité des nombres dérivés unilatéraux.

f est deˊrivable en x0  ⟺  fg′(x0)=fd′(x0)∈Rf \text{ est dérivable en } x_0 \iff f'_g(x_0) = f'_d(x_0) \in \mathbb{R}

Remarque

Si fg′(x0)≠fd′(x0)f'_g(x_0) \neq f'_d(x_0) avec des valeurs réelles finies, ff n'est pas dérivable en x0x_0. La courbe admet deux demi-tangentes de pentes distinctes au point (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)), appelé point anguleux.

Piège classique · 3

On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={2xsi x≤1x2+2si x>1f(x) = \begin{cases} 2x & \text{si } x \le 1 \\ x^2 + 2 & \text{si } x > 1 \end{cases}
Un élève dérive chaque branche : pour x<1x < 1, f′(x)=2f'(x) = 2 ; pour x>1x > 1, f′(x)=2x→2f'(x) = 2x \to 2 quand x→1+x \to 1^+. Il conclut que ff est dérivable en 11. Que penser de cette démarche ?

Attention

Conclure que ff est dérivable en constatant seulement que les dérivées des deux branches ont la même limite en 11.

À la place : Il faut d'abord vérifier la continuité en 11. Ici f(1)=2f(1) = 2 alors que lim⁡x→1+f(x)=12+2=3\lim_{x \to 1^+} f(x) = 1^2 + 2 = 3. La fonction n'étant pas continue en 11, elle n'est pas dérivable en 11.

Exemple travaillé · 4

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={x2−1si x≤1x−1si x>1f(x) = \begin{cases} x^2 - 1 & \text{si } x \le 1 \\ \sqrt{x} - 1 & \text{si } x > 1 \end{cases}
Étudier la dérivabilité de ff en 11 et préciser la nature du point de coordonnées (1,0)(1, 0) pour la courbe de ff.

1

On vérifie d'abord la continuité en 11 : f(1)=0f(1) = 0, lim⁡x→1−(x2−1)=0\lim_{x \to 1^-} (x^2-1) = 0 et lim⁡x→1+(x−1)=0\lim_{x \to 1^+} (\sqrt{x}-1) = 0. La fonction ff est continue en 11.

2

On calcule le nombre dérivé à gauche en 11 à l'aide du taux d'accroissement :

lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−x2−1x−1=lim⁡x→1−(x+1)=2  ⟹  fg′(1)=2\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{x^2-1}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} (x+1) = 2 \implies f'_g(1) = 2
3

On calcule le nombre dérivé à droite en 11 en factorisant par la quantité conjuguée :

lim⁡x→1+x−1x−1=lim⁡x→1+x−1(x−1)(x+1)=lim⁡x→1+1x+1=12  ⟹  fd′(1)=12\lim_{x \to 1^+} \frac{\sqrt{x}-1}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{\sqrt{x}-1}{(\sqrt{x}-1)(\sqrt{x}+1)} = \lim_{x \to 1^+} \frac{1}{\sqrt{x}+1} = \frac{1}{2} \implies f'_d(1) = \frac{1}{2}
4

On compare les deux résultats : fg′(1)=2≠fd′(1)=12f'_g(1) = 2 \neq f'_d(1) = \frac{1}{2}. La fonction ff n'est pas dérivable en 11. Le point A(1,0)A(1, 0) est un point anguleux de la courbe, avec une demi-tangente à gauche de pente 22 et une demi-tangente à droite de pente 12\frac{1}{2}.

Vérification · 5

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par :
g(x)={x2+2xsi x≤02xsi x>0g(x) = \begin{cases} x^2 + 2x & \text{si } x \le 0 \\ 2x & \text{si } x > 0 \end{cases}
La fonction gg est-elle dérivable en 00 ?

Remarque

gg est continue en 00 car g(0)=0g(0) = 0 et lim⁡x→0+2x=0\lim_{x \to 0^+} 2x = 0. À gauche : lim⁡x→0−x2+2xx=2\lim_{x \to 0^-} \frac{x^2+2x}{x} = 2. À droite : lim⁡x→0+2xx=2\lim_{x \to 0^+} \frac{2x}{x} = 2. Les deux nombres dérivés unilatéraux sont finis et égaux, donc gg est dérivable en 00 avec g′(0)=2g'(0) = 2.

Point de départ · 6

Tangente et dérivabilité

La fonction f:x↦xf : x \mapsto \sqrt{x} n'est pas dérivable en 00 car lim⁡x→0+f(x)−f(0)x−0=+∞\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = +\infty. Que peut-on dire de sa courbe à l'origine ?

Remarque

L'absence de nombre dérivé fini n'exclut pas l'existence d'une tangente. Une pente infinie correspond géométriquement à une droite verticale : la courbe admet une demi-tangente verticale.

Définition · 7

Demi-tangente verticale

Lorsque le taux d'accroissement tend vers +∞+\infty ou −∞-\infty en un point x0x_0, la fonction n'est pas dérivable en ce point. La courbe admet en ce point une demi-tangente verticale.

lim⁡x→x0±f(x)−f(x0)x−x0=±∞  ⟹  (Cf) admet une demi-tangente verticale au point (x0,f(x0))\lim_{x \to x_0^\pm} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = \pm\infty \implies (C_f) \text{ admet une demi-tangente verticale au point } (x_0, f(x_0))

Remarque

Orientation de la demi-tangente :
- À droite (x>x0x > x_0) : dirigée vers le haut si la limite est +∞+\infty, vers le bas si la limite est −∞-\infty.
- À gauche (x<x0x < x_0) : dirigée vers le bas si la limite est +∞+\infty, vers le haut si la limite est −∞-\infty.

Piège classique · 8

Attention au signe pour x négatif

Pour étudier la dérivabilité à gauche en 00 de f(x)=−xf(x) = \sqrt{-x}, on calcule le taux −xx\frac{\sqrt{-x}}{x} pour x<0x < 0. Quelle est son expression simplifiée ?

Attention

Écrire x=x2x = \sqrt{x^2} pour x<0x < 0, ce qui donnerait à tort −xx=1−x→+∞\frac{\sqrt{-x}}{x} = \frac{1}{\sqrt{-x}} \to +\infty.

À la place : Pour x<0x < 0, on a x=−(−x)=−(−x)2x = -(-x) = -\sqrt{(-x)^2}. Ainsi, −xx=−x−−x−x=−1−x\frac{\sqrt{-x}}{x} = \frac{\sqrt{-x}}{-\sqrt{-x}\sqrt{-x}} = -\frac{1}{\sqrt{-x}}. Quand x→0−x \to 0^-, le taux tend vers −∞-\infty.

Exemple travaillé · 9

Tangente verticale par raccordement

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par :
f(x)={1+x−1si x≥11−1−xsi x<1f(x) = \begin{cases} 1 + \sqrt{x-1} & \text{si } x \ge 1 \\ 1 - \sqrt{1-x} & \text{si } x < 1 \end{cases}
Étudier la dérivabilité de ff en 11 et interpréter géométriquement les résultats obtenus.

1

On étudie d'abord la dérivabilité à droite en 11 : pour x>1x > 1, on a x−1=(x−1)2x - 1 = (\sqrt{x-1})^2 :

2
lim⁡x→1+f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1+x−1x−1=lim⁡x→1+1x−1=+∞\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{\sqrt{x-1}}{x-1} = \lim_{x \to 1^+} \frac{1}{\sqrt{x-1}} = +\infty
3

La limite est +∞+\infty à droite : la courbe admet au point A(1,1)A(1, 1) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

4

On étudie la dérivabilité à gauche en 11 : pour x<1x < 1, on a x−1=−(1−x)=−(1−x)2x - 1 = -(1-x) = -(\sqrt{1-x})^2 :

5
lim⁡x→1−f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1−−1−x−(1−x)=lim⁡x→1−11−x=+∞\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1^-} \frac{-\sqrt{1-x}}{-(1-x)} = \lim_{x \to 1^-} \frac{1}{\sqrt{1-x}} = +\infty
6

La limite est +∞+\infty à gauche : la courbe admet en A(1,1)A(1, 1) une demi-tangente verticale dirigée vers le bas.

7

Conclusion : ff n'est pas dérivable en 11, mais les deux demi-tangentes verticales de sens opposés s'unissent pour former une tangente verticale unique d'équation cartésienne x=1x = 1.

Vérification · 10

Demi-tangente verticale à gauche

Soit h(x)=2−xh(x) = \sqrt{2-x} définie sur ]−∞;2]]-\infty ; 2]. Que vaut lim⁡x→2−h(x)−h(2)x−2\lim_{x \to 2^-} \frac{h(x)-h(2)}{x-2}, et comment est orientée la demi-tangente au point (2,0)(2, 0) ?

Remarque

Pour x<2x < 2, x−2=−(2−x)x-2 = -(2-x), d'où 2−xx−2=−12−x→−∞\frac{\sqrt{2-x}}{x-2} = -\frac{1}{\sqrt{2-x}} \to -\infty. À gauche de 22, une limite de taux égale à −∞-\infty donne une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Point de départ · 11

Soit f(x)=2xf(x) = 2x et g(u)=u3g(u) = u^3, donc (g∘f)(x)=(2x)3=8x3(g \circ f)(x) = (2x)^3 = 8x^3. La dérivée de 8x38x^3 est 24x224x^2. Obtient-on ce résultat si l'on multiplie simplement les dérivées g′(x)×f′(x)g'(x) \times f'(x) ?

Remarque

Multiplier simplement les dérivées évaluées en xx donne 3x2×2=6x2≠24x23x^2 \times 2 = 6x^2 \neq 24x^2. La dérivée de la fonction extérieure gg doit être évaluée en f(x)f(x), et non en xx : g′(f(x))×f′(x)=3(2x)2×2=24x2g'(f(x)) \times f'(x) = 3(2x)^2 \times 2 = 24x^2.

Définition · 12

Dérivée d'une fonction composée

(g∘f)′(x0)=g′(f(x0))⋅f′(x0)(g \circ f)'(x_0) = g'(f(x_0)) \cdot f'(x_0)

f deˊrivable en x0etg deˊrivable en f(x0)f \text{ dérivable en } x_0 \quad \text{et} \quad g \text{ dérivable en } f(x_0)

Cas particulier fondamental pour la racine carrée d'une fonction :

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

u deˊrivable sur Iet∀x∈I,  u(x)>0u \text{ dérivable sur } I \quad \text{et} \quad \forall x \in I, \; u(x) > 0

Piège classique · 13

Soient ff et gg deux fonctions dérivables sur R\mathbb{R}. On donne f(1)=2f(1) = 2, f′(1)=3f'(1) = 3, g′(1)=5g'(1) = 5 et g′(2)=−1g'(2) = -1. Que vaut (g∘f)′(1)(g \circ f)'(1) ?

Attention

Calculer (g∘f)′(1)=g′(1)×f′(1)=5×3=15(g \circ f)'(1) = g'(1) \times f'(1) = 5 \times 3 = 15 en évaluant g′g' en 11.

À la place : La formule impose d'évaluer g′g' en f(1)f(1) : (g∘f)′(1)=g′(f(1))×f′(1)=g′(2)×f′(1)=(−1)×3=−3(g \circ f)'(1) = g'(f(1)) \times f'(1) = g'(2) \times f'(1) = (-1) \times 3 = -3.

Exemple travaillé · 14

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=cos⁡(3x2−1)f(x) = \cos(3x^2 - 1). Justifier la dérivabilité de ff sur R\mathbb{R} et déterminer sa fonction dérivée.

1

On identifie la forme f=g∘uf = g \circ u avec u(x)=3x2−1u(x) = 3x^2 - 1 et g(y)=cos⁡(y)g(y) = \cos(y).

2

La fonction uu est une fonction polynôme dérivable sur R\mathbb{R} de dérivée u′(x)=6xu'(x) = 6x.

3

La fonction cosinus est dérivable sur R\mathbb{R} de dérivée g′(y)=−sin⁡(y)g'(y) = -\sin(y).

4

Par composition, ff est dérivable sur R\mathbb{R} et pour tout x∈Rx \in \mathbb{R} :

f′(x)=u′(x)×g′(u(x))=6x×(−sin⁡(3x2−1))=−6xsin⁡(3x2−1)f'(x) = u'(x) \times g'(u(x)) = 6x \times (-\sin(3x^2 - 1)) = -6x\sin(3x^2 - 1)

Exemple travaillé · 15

Soit la fonction hh définie par h(x)=4x−1h(x) = \sqrt{4x - 1}. Déterminer le domaine de dérivabilité de hh puis calculer sa dérivée h′(x)h'(x).

1

On pose u(x)=4x−1u(x) = 4x - 1. La fonction affine uu est dérivable sur R\mathbb{R} et u′(x)=4u'(x) = 4.

2

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

4x−1>0  ⟺  x>144x - 1 > 0 \iff x > \frac{1}{4}
3

La fonction hh est définie sur [14;+∞[[\frac{1}{4} ; +\infty[, mais elle est dérivable uniquement sur l'intervalle ouvert ]14;+∞[]\frac{1}{4} ; +\infty[.

4

Pour tout x∈]14;+∞[x \in ]\frac{1}{4} ; +\infty[, on applique la formule de dérivation (u)′=u′2u(\sqrt{u})' = \frac{u'}{2\sqrt{u}} :

h′(x)=424x−1=24x−1h'(x) = \frac{4}{2\sqrt{4x - 1}} = \frac{2}{\sqrt{4x - 1}}

Vérification · 16

Soit la fonction kk définie par k(x)=6x−3k(x) = \sqrt{6x - 3}. Quel est son domaine de dérivabilité et quelle est l'expression de sa dérivée k′(x)k'(x) ?

Remarque

Pour la dérivabilité de u\sqrt{u}, il faut u(x)>0u(x) > 0, soit 6x−3>0  ⟺  x>126x - 3 > 0 \iff x > \frac{1}{2}. La dérivée est ensuite k′(x)=u′(x)2u(x)=626x−3=36x−3k'(x) = \frac{u'(x)}{2\sqrt{u(x)}} = \frac{6}{2\sqrt{6x-3}} = \frac{3}{\sqrt{6x-3}}.

Point de départ · 17

Tangente et sécante

Soit f(x)=x2−2x−3f(x) = x^2 - 2x - 3. La droite reliant les points A(1,−4)A(1, -4) et B(3,0)B(3, 0) de sa courbe a pour pente 22. Existe-t-il un point entre AA et BB où la tangente à la courbe est parallèle à la droite (AB)(AB) ?

Remarque

Pour toute courbe continue et lisse reliant deux points AA et BB, il existe au moins un point intermédiaire où la tangente a la même direction que la corde (AB)(AB) : c'est le théorème des accroissements finis.

Définition · 18

Théorème des accroissements finis (TAF)

Soient aa et bb deux réels tels que a<ba < b.

f continue sur [a;b]etf deˊrivable sur ]a;b[f \text{ continue sur } [a ; b] \quad \text{et} \quad f \text{ dérivable sur } ]a ; b[

∃c∈]a;b[tel quef′(c)=f(b)−f(a)b−a\exists c \in ]a ; b[ \quad \text{tel que} \quad f'(c) = \frac{f(b)-f(a)}{b-a}

Remarque

Interprétation géométrique : le rapport f(b)−f(a)b−a\frac{f(b)-f(a)}{b-a} est la pente de la corde (AB)(AB). Le réel f′(c)f'(c) est la pente de la tangente au point d'abscisse cc. Le théorème garantit l'existence d'au moins une tangente strictement parallèle à la corde (AB)(AB).

Exemple travaillé · 19

Soit f(x)=x2−2x−3f(x) = x^2 - 2x - 3. On considère les points A(1,f(1))A(1, f(1)) et B(3,f(3))B(3, f(3)) de la courbe (Cf)(C_f). Déterminer l'abscisse c∈]1;3[c \in ]1 ; 3[ du point où la tangente à (Cf)(C_f) est parallèle à la droite (AB)(AB).

1

On calcule les ordonnées des points AA et BB : f(1)=1−2−3=−4f(1) = 1 - 2 - 3 = -4 et f(3)=9−6−3=0f(3) = 9 - 6 - 3 = 0.

2

On calcule le coefficient directeur de la sécante (AB)(AB) :

f(3)−f(1)3−1=0−(−4)2=2\frac{f(3)-f(1)}{3-1} = \frac{0 - (-4)}{2} = 2
3

La fonction ff est une fonction polynôme, donc continue sur [1;3][1 ; 3] et dérivable sur ]1;3[]1 ; 3[. Sa dérivée est f′(x)=2x−2f'(x) = 2x - 2.

4

On cherche c∈]1;3[c \in ]1 ; 3[ tel que f′(c)=2f'(c) = 2 :

2c−2=2  ⟺  2c=4  ⟺  c=22c - 2 = 2 \iff 2c = 4 \iff c = 2
5

Comme 2∈]1;3[2 \in ]1 ; 3[, la tangente à (Cf)(C_f) au point d'abscisse 22 est parallèle à la corde (AB)(AB).

Piège classique · 20

Soit f(x)=x2x−1f(x) = x^2\sqrt{x-1} définie sur [1;2][1 ; 2]. On veut prouver que l'équation f′(x)=4f'(x) = 4 admet au moins une solution dans ]1;2[]1 ; 2[. Quelle démarche adopter ?

Attention

Calculer l'expression lourde de f′(x)f'(x) et tenter de résoudre algébriquement l'équation f′(x)=4f'(x) = 4.

À la place : On calcule les images aux bornes : f(1)=0f(1) = 0 et f(2)=4f(2) = 4. Le taux d'accroissement vaut f(2)−f(1)2−1=4−01=4\frac{f(2)-f(1)}{2-1} = \frac{4-0}{1} = 4. Le théorème des accroissements finis garantit directement l'existence de la solution sans résoudre l'équation.

Exemple travaillé · 21

Soit p∈N∗p \in \mathbb{N}^* et la fonction f(x)=1x3f(x) = \frac{1}{x^3}. Montrer qu'il existe un réel c∈]p;p+1[c \in ]p ; p+1[ tel que 1p3−1(p+1)3=3c4\frac{1}{p^3} - \frac{1}{(p+1)^3} = \frac{3}{c^4}.

1

La fonction ff est une fonction rationnelle dont le dénominateur ne s'annule pas sur [p;p+1][p ; p+1] car p>0p > 0. Elle est donc continue sur [p;p+1][p ; p+1] et dérivable sur ]p;p+1[]p ; p+1[.

2

On calcule la fonction dérivée de ff sur ]p;p+1[]p ; p+1[ :

f′(x)=−3x4f'(x) = -\frac{3}{x^4}
3

D'après le théorème des accroissements finis appliqué sur [p;p+1][p ; p+1], il existe c∈]p;p+1[c \in ]p ; p+1[ tel que :

f(p+1)−f(p)=f′(c)⋅((p+1)−p)f(p+1) - f(p) = f'(c) \cdot ((p+1) - p)
4

On remplace par les expressions de ff et f′f' avec (p+1)−p=1(p+1) - p = 1 :

1(p+1)3−1p3=−3c4\frac{1}{(p+1)^3} - \frac{1}{p^3} = -\frac{3}{c^4}
5

En multipliant chaque membre par −1-1, on obtient l'égalité demandée :

1p3−1(p+1)3=3c4\frac{1}{p^3} - \frac{1}{(p+1)^3} = \frac{3}{c^4}

Vérification · 22

Soit ff une fonction continue sur [1;4][1 ; 4] et dérivable sur ]1;4[]1 ; 4[ telle que f(1)=2f(1) = 2 et f(4)=11f(4) = 11. Quelle équation admet au moins une solution c∈]1;4[c \in ]1 ; 4[ d'après le théorème des accroissements finis ?

Remarque

Le taux d'accroissement vaut f(4)−f(1)4−1=11−23=93=3\frac{f(4)-f(1)}{4-1} = \frac{11-2}{3} = \frac{9}{3} = 3. Le théorème garantit l'existence d'au moins un réel c∈]1;4[c \in ]1 ; 4[ tel que f′(c)=3f'(c) = 3.

Point de départ · 23

De la dérivée bornée à l'accroissement global

Une fonction ff est dérivable sur [0;3][0 ; 3] et vérifie f(0)=2f(0) = 2. Si pour tout x∈[0;3]x \in [0 ; 3], on a 1≤f′(x)≤41 \le f'(x) \le 4, quel encadrement peut-on donner pour l'accroissement global f(3)−f(0)f(3) - f(0) ?

Remarque

Puisque la dérivée reste comprise entre 11 et 44 sur un intervalle de longueur 33, la variation totale est comprise entre 1×3=31 \times 3 = 3 et 4×3=124 \times 3 = 12 : c'est le principe des inégalités des accroissements finis.

Définition · 24

Inégalités des accroissements finis (IAF)

Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle II, et soient aa et bb deux réels de II tels que a<ba < b.

m≤f′(x)≤Mpour tout x∈[a;b]m \le f'(x) \le M \quad \text{pour tout } x \in [a ; b]

m(b−a)≤f(b)−f(a)≤M(b−a)m(b - a) \le f(b) - f(a) \le M(b - a)

Corollaire (majoration de l'accroissement) : s'il existe une constante k>0k > 0 telle que ∣f′(x)∣≤k|f'(x)| \le k pour tout x∈Ix \in I, alors pour tous a,b∈Ia, b \in I :

∣f(b)−f(a)∣≤k∣b−a∣|f(b) - f(a)| \le k |b - a|

Piège classique · 25

Monotonie de la dérivée et encadrement

Soit f(t)=1tf(t) = \frac{1}{t} sur [1;4][1 ; 4]. On cherche à encadrer f′(t)=−1t2f'(t) = -\frac{1}{t^2} pour appliquer l'IAF. Quel encadrement obtient-on sur [1;4][1 ; 4] ?

Attention

Écrire −1≤f′(t)-1 \le f'(t) en borne inférieure et −116-\frac{1}{16} en borne supérieure par simple évaluation aux bornes sans vérifier la monotonie.

À la place : Pour 1≤t≤41 \le t \le 4, on a 1≤t2≤161 \le t^2 \le 16. En passant à l'inverse, 116≤1t2≤1\frac{1}{16} \le \frac{1}{t^2} \le 1. En multipliant par −1-1, les inégalités s'inversent : −1≤−1t2≤−116-1 \le -\frac{1}{t^2} \le -\frac{1}{16}.

Exemple travaillé · 26

À l'aide de l'inégalité des accroissements finis appliquée à la fonction f(x)=xf(x) = \sqrt{x} sur l'intervalle [64;65][64 ; 65], déterminer un encadrement du réel 65\sqrt{65}.

1

La fonction f:x↦xf : x \mapsto \sqrt{x} est dérivable sur [64;65][64 ; 65] et pour tout x∈[64;65]x \in [64 ; 65] :

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

Pour tout x∈[64;65]x \in [64 ; 65], on a 64≤x≤6564 \le x \le 65, donc 8≤x≤65<98 \le \sqrt{x} \le \sqrt{65} < 9.

4

La fonction dérivée f′f' est strictement décroissante sur [64;65][64 ; 65], d'où l'encadrement :

5
118≤12×9≤f′(x)≤12×8=116\frac{1}{18} \le \frac{1}{2 \times 9} \le f'(x) \le \frac{1}{2 \times 8} = \frac{1}{16}
6

On applique l'inégalité des accroissements finis sur [64;65][64 ; 65] avec b−a=65−64=1b - a = 65 - 64 = 1 :

7
118×1≤65−64≤116×1\frac{1}{18} \times 1 \le \sqrt{65} - \sqrt{64} \le \frac{1}{16} \times 1
8

Comme 64=8\sqrt{64} = 8, on ajoute 88 à chaque terme pour isoler 65\sqrt{65} :

9
8+118≤65≤8+116  ⟺  14518≤65≤129168 + \frac{1}{18} \le \sqrt{65} \le 8 + \frac{1}{16} \iff \frac{145}{18} \le \sqrt{65} \le \frac{129}{16}

Exemple travaillé · 27

Démontrer que pour tous réels aa et bb, on a : ∣sin⁡(b)−sin⁡(a)∣≤∣b−a∣|\sin(b) - \sin(a)| \le |b - a|.

1

On considère la fonction f(t)=sin⁡(t)f(t) = \sin(t). Elle est définie et dérivable sur R\mathbb{R} de dérivée f′(t)=cos⁡(t)f'(t) = \cos(t).

2

Pour tout réel tt, on a la majoration classique de la fonction cosinus :

3
∣f′(t)∣=∣cos⁡(t)∣≤1|f'(t)| = |\cos(t)| \le 1
4

On applique le corollaire des inégalités des accroissements finis à la fonction ff avec la constante k=1k = 1 sur l'intervalle d'extrémités aa et bb :

5
∣f(b)−f(a)∣≤1⋅∣b−a∣|f(b) - f(a)| \le 1 \cdot |b - a|
6

En remplaçant ff par sa définition, on obtient l'inégalité demandée :

7
∣sin⁡(b)−sin⁡(a)∣≤∣b−a∣|\sin(b) - \sin(a)| \le |b - a|

Vérification · 28

Soit gg une fonction dérivable sur [0;π4][0 ; \frac{\pi}{4}] telle que pour tout t∈[0;π4]t \in [0 ; \frac{\pi}{4}], on a 1≤g′(t)≤21 \le g'(t) \le 2. Sachant que g(0)=0g(0) = 0, quel encadrement de g(x)g(x) obtient-on pour tout x∈[0;π4]x \in [0 ; \frac{\pi}{4}] ?

Remarque

Sur l'intervalle [0;x][0 ; x], l'inégalité des accroissements finis s'écrit 1⋅(x−0)≤g(x)−g(0)≤2⋅(x−0)1 \cdot (x - 0) \le g(x) - g(0) \le 2 \cdot (x - 0). Comme g(0)=0g(0) = 0, on obtient directement x≤g(x)≤2xx \le g(x) \le 2x.

Point de départ · 29

Tangente et traversée de courbe

Au voisinage du point de contact, une courbe reste souvent située d'un même côté de sa tangente. Que se passe-t-il pour la fonction f(x)=x3f(x) = x^3 en 00 par rapport à sa tangente d'équation y=0y = 0 ?

Remarque

Pour x<0x < 0, on a x3<0x^3 < 0 (la courbe est en dessous de l'axe) et pour x>0x > 0, x3>0x^3 > 0 (la courbe est au-dessus). La courbe traverse sa tangente à l'origine : ce point de bascule géométrique s'appelle un point d'inflexion.

Définition · 30

Dérivée seconde et point d'inflexion

Soit ff une fonction dérivable sur un intervalle ouvert II. Si la fonction dérivée f′f' est elle-même dérivable sur II, sa dérivée est notée f′′f'' et s'appelle fonction dérivée seconde de ff.

Le point M0(x0,f(x0))M_0(x_0, f(x_0)) est un point d'inflexion de la courbe (Cf)(C_f) si (Cf)(C_f) traverse sa tangente en ce point.

f′′(x0)=0etf′′ change de signe en x0  ⟺  M0(x0,f(x0)) est un point d’inflexion de (Cf)f''(x_0) = 0 \quad \text{et} \quad f'' \text{ change de signe en } x_0 \iff M_0(x_0, f(x_0)) \text{ est un point d'inflexion de } (C_f)

Remarque

Cas particulier à tangente horizontale : si la dérivée première f′f' s'annule en x0x_0 sans changer de signe, alors M0(x0,f(x0))M_0(x_0, f(x_0)) est un point d'inflexion à tangente horizontale.

Piège classique · 31

Annulation sans changement de signe

Soit f(x)=x4f(x) = x^4. On calcule f′(x)=4x3f'(x) = 4x^3 puis f′′(x)=12x2f''(x) = 12x^2. On constate que f′′(0)=0f''(0) = 0. Le point (0,0)(0, 0) est-il un point d'inflexion de la courbe ?

Attention

Conclure qu'un point est un point d'inflexion du seul fait que f′′(x0)=0f''(x_0) = 0.

À la place : L'annulation de la dérivée seconde ne suffit pas : il faut impérativement que f′′f'' change de signe. Pour tout x≠0x \neq 0, on a 12x2>012x^2 > 0 : la dérivée seconde reste strictement positive, la courbe ne traverse pas sa tangente et admet un minimum en 00.

Exemple travaillé · 32

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3−3x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2. Déterminer les coordonnées du point d'inflexion de sa courbe représentative.

1

La fonction ff est polynomiale, elle est donc deux fois dérivable sur R\mathbb{R}.

2

On calcule la fonction dérivée première f′f' sur R\mathbb{R} :

f′(x)=3x2−6xf'(x) = 3x^2 - 6x
3

On calcule la fonction dérivée seconde f′′f'' sur R\mathbb{R} :

f′′(x)=6x−6=6(x−1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1)
4

On cherche les zéros de la dérivée seconde :

f′′(x)=0  ⟺  6(x−1)=0  ⟺  x=1f''(x) = 0 \iff 6(x - 1) = 0 \iff x = 1
5

On étudie le signe de f′′(x)f''(x) : pour x<1x < 1, f′′(x)<0f''(x) < 0 et pour x>1x > 1, f′′(x)>0f''(x) > 0. La fonction f′′f'' s'annule en 11 en changeant de signe.

6

On calcule l'ordonnée de ce point : f(1)=13−3(1)2+2=0f(1) = 1^3 - 3(1)^2 + 2 = 0. Le point I(1,0)I(1, 0) est le point d'inflexion de la courbe.

Exemple travaillé · 33

Soit la fonction gg définie sur R\mathbb{R} par g(x)=x3−6x2+9g(x) = x^3 - 6x^2 + 9. La tangente (T)(T) à sa courbe au point I(2,−7)I(2, -7) a pour équation y=−12x+17y = -12x + 17. Montrer que II est un point d'inflexion en étudiant la position relative de la courbe et de sa tangente.

1

On étudie le signe de la différence g(x)−(−12x+17)g(x) - (-12x + 17) pour tout réel xx :

g(x)−(−12x+17)=x3−6x2+12x−8g(x) - (-12x + 17) = x^3 - 6x^2 + 12x - 8
2

On factorise le résultat à l'aide de l'identité remarquable (x−2)3(x - 2)^3 :

g(x)−(−12x+17)=(x−2)3g(x) - (-12x + 17) = (x - 2)^3
3

Pour x<2x < 2, on a x−2<0x - 2 < 0, donc (x−2)3<0(x - 2)^3 < 0 : la courbe est située strictement en dessous de (T)(T).

4

Pour x>2x > 2, on a x−2>0x - 2 > 0, donc (x−2)3>0(x - 2)^3 > 0 : la courbe est située strictement au-dessus de (T)(T).

5

La courbe traverse sa tangente en x=2x = 2 : le point I(2,−7)I(2, -7) est donc un point d'inflexion.

Vérification · 34

Soit hh une fonction dérivable sur R\mathbb{R} dont la dérivée première est donnée par h′(x)=(x−2)2h'(x) = (x - 2)^2. Que représente le point d'abscisse 22 pour la courbe de hh ?

Remarque

La dérivée première s'annule en 22 car h′(2)=0h'(2) = 0, mais pour tout x≠2x \neq 2, (x−2)2>0(x - 2)^2 > 0. Puisque h′h' s'annule sans changer de signe, la fonction est croissante avant et après 22. Il n'y a pas d'extremum local, mais un point d'inflexion à tangente horizontale.

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