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Étude de fonctions — cours

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

Le cours

Point de départ · 1

Dans un repère orthogonal, si deux points distincts M(x,y)M(x, y) et M′(x′,y)M'(x', y) de même ordonnée sont symétriques par rapport à la droite verticale d'équation x=ax = a, quelle relation relie leurs abscisses xx et x′x' ?

Remarque

La droite x=ax = a est la médiatrice du segment horizontal [MM′][MM']. L'abscisse du milieu vaut donc aa : x+x′2=a\frac{x + x'}{2} = a, ce qui donne directement x′=2a−xx' = 2a - x.

Définition · 2

Axe de symétrie d'une courbe représentative

Dans un repère orthogonal (O,i⃗,j⃗)(O, \vec{i}, \vec{j}), une droite verticale est un axe de symétrie pour une courbe si chaque point de la courbe admet son symétrique sur la courbe.

La droite Δ:x=a est un axe de symeˊtrie pour Cf  ⟺  ∀x∈Df:\text{La droite } \Delta : x = a \text{ est un axe de symétrie pour } \mathcal{C}_f \iff \forall x \in D_f :

2a−x∈Df2a - x \in D_f
f(2a−x)=f(x)f(2a - x) = f(x)

La première condition impose que le domaine DfD_f soit géométriquement symétrique par rapport à aa. La seconde assure que deux abscisses symétriques ont la même ordonnée.

Exemple travaillé · 3

Soit la fonction ff définie par f(x)=2x2−4x+3(x−1)2f(x) = \frac{2x^2-4x+3}{(x-1)^2}. Démontrer que la droite Δ:x=1\Delta : x = 1 est un axe de symétrie pour la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

On détermine le domaine de définition : le dénominateur s'annule si et seulement si x=1x = 1, d'où Df=R∖{1}D_f = \mathbb{R} \setminus \{1\}.

2

On vérifie la symétrie du domaine pour a=1a = 1 : pour tout x∈Dfx \in D_f, on a x≠1x \neq 1, donc 2(1)−x=2−x≠12(1) - x = 2 - x \neq 1. Par conséquent, (2−x)∈Df(2 - x) \in D_f.

3

On calcule f(2−x)f(2 - x) en remplaçant xx par (2−x)(2 - x) :

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

On développe et simplifie le numérateur et le dénominateur :

f(2−x)=2(4−4x+x2)−8+4x+3(1−x)2=2x2−4x+3(x−1)2=f(x)f(2-x) = \frac{2(4 - 4x + x^2) - 8 + 4x + 3}{(1-x)^2} = \frac{2x^2 - 4x + 3}{(x-1)^2} = f(x)
5

Puisque (2−x)∈Df(2 - x) \in D_f et f(2−x)=f(x)f(2 - x) = f(x) pour tout x∈Dfx \in D_f, la droite Δ:x=1\Delta : x = 1 est un axe de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 4

Soit la fonction ff définie par f(x)=x2+3x−4f(x) = \sqrt{x^2+3x-4}. Montrer que la droite Δ:x=−32\Delta : x = -\frac{3}{2} est un axe de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

On détermine l'ensemble de définition : le trinôme x2+3x−4=(x−1)(x+4)x^2+3x-4 = (x-1)(x+4) est positif ou nul à l'extérieur de ses racines, donc Df=]−∞;−4]∪[1;+∞[D_f = ]-\infty ; -4] \cup [1 ; +\infty[.

2

Pour a=−32a = -\frac{3}{2}, l'abscisse symétrique vaut 2a−x=2(−32)−x=−3−x2a - x = 2\left(-\frac{3}{2}\right) - x = -3 - x. On évalue le trinôme sous le radical en −3−x-3 - x :

(−3−x)2+3(−3−x)−4=(9+6x+x2)−9−3x−4=x2+3x−4(-3-x)^2 + 3(-3-x) - 4 = (9 + 6x + x^2) - 9 - 3x - 4 = x^2 + 3x - 4
3

Pour tout x∈Dfx \in D_f, on a x2+3x−4≥0x^2+3x-4 \ge 0, donc (−3−x)2+3(−3−x)−4≥0(-3-x)^2 + 3(-3-x) - 4 \ge 0, ce qui prouve que (−3−x)∈Df(-3 - x) \in D_f.

4

On compare les images :

f(−3−x)=(−3−x)2+3(−3−x)−4=x2+3x−4=f(x)f(-3-x) = \sqrt{(-3-x)^2 + 3(-3-x) - 4} = \sqrt{x^2+3x-4} = f(x)
5

Les deux conditions étant réunies, la droite d'équation x=−32x = -\frac{3}{2} est un axe de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Piège classique · 5

Soit une fonction ff définie sur Df=[0;4]∖{1}D_f = [0 ; 4] \setminus \{1\} dont la formule algébrique vérifie f(4−x)=f(x)f(4-x) = f(x) pour tout réel xx où l'égalité a un sens. La droite x=2x = 2 est-elle un axe de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f ?

Attention

Conclure que la droite x = 2 est axe de symétrie uniquement parce que la formule algébrique f(4-x) = f(x) est vérifiée.

À la place : La condition d'appartenance au domaine échoue : pour x=3∈Dfx = 3 \in D_f, son symétrique 4−3=1∉Df4 - 3 = 1 \notin D_f. La courbe possède un point d'abscisse 3 mais aucun point d'abscisse 1 : elle ne peut pas être symétrique.

Vérification · 6

Soit gg une fonction définie sur R\mathbb{R}. Quelle relation traduit le fait que la droite Δ:x=−2\Delta : x = -2 est un axe de symétrie pour la courbe de gg ?

Remarque

Pour a=−2a = -2, l'abscisse symétrique est 2a−x=2(−2)−x=−4−x2a - x = 2(-2) - x = -4 - x. Pour un axe de symétrie vertical, les ordonnées sont égales, d'où g(−4−x)=g(x)g(-4 - x) = g(x).

Point de départ · 7

Pour une fonction impaire, l'origine O(0,0)O(0, 0) est un centre de symétrie et on a f(−x)+f(x)=0f(-x) + f(x) = 0. Si le centre de symétrie est déplacé en un point Ω(a,b)\Omega(a, b), que vaut la demi-somme des ordonnées y+y′2\frac{y + y'}{2} pour deux points symétriques M(x,y)M(x, y) et M′(x′,y′)M'(x', y') ?

Remarque

Le point Ω(a,b)\Omega(a, b) est le milieu du segment [MM′][MM']. Ses coordonnées sont la moyenne de celles de MM et M′M'. Ainsi, y+y′2=b\frac{y + y'}{2} = b, ce qui donne y+y′=2by + y' = 2b, soit f(x′)+f(x)=2bf(x') + f(x) = 2b.

Définition · 8

Centre de symétrie d'une courbe représentative

Dans un repère orthogonal (O,i⃗,j⃗)(O, \vec{i}, \vec{j}), un point Ω(a,b)\Omega(a, b) est un centre de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f si Ω\Omega est le milieu du segment joignant tout point de la courbe à son homologue.

Le point Ω(a,b) est un centre de symeˊtrie pour Cf  ⟺  ∀x∈Df:\text{Le point } \Omega(a, b) \text{ est un centre de symétrie pour } \mathcal{C}_f \iff \forall x \in D_f :

2a−x∈Df2a - x \in D_f
f(2a−x)+f(x)=2bf(2a - x) + f(x) = 2b

Formulation équivalente avec un écart hh : pour tout réel hh tel que (a+h)∈Df(a + h) \in D_f, on a (a−h)∈Df(a - h) \in D_f et f(a+h)+f(a−h)=2bf(a + h) + f(a - h) = 2b.

Exemple travaillé · 9

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3−3x2+5x−2f(x) = x^3 - 3x^2 + 5x - 2. Démontrer que le point Ω(1,1)\Omega(1, 1) est un centre de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

On vérifie la condition sur le domaine : Df=RD_f = \mathbb{R}. Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, 2(1)−x=2−x∈R2(1) - x = 2 - x \in \mathbb{R}.

2

On exprime f(2−x)f(2 - x) :

f(2−x)=(2−x)3−3(2−x)2+5(2−x)−2f(2 - x) = (2 - x)^3 - 3(2 - x)^2 + 5(2 - x) - 2
3

On développe chaque terme séparément :

(2−x)3=8−12x+6x2−x3(2 - x)^3 = 8 - 12x + 6x^2 - x^3
4
−3(2−x)2=−3(4−4x+x2)=−12+12x−3x2-3(2 - x)^2 = -3(4 - 4x + x^2) = -12 + 12x - 3x^2
5
5(2−x)−2=10−5x−2=8−5x5(2 - x) - 2 = 10 - 5x - 2 = 8 - 5x
6

En regroupant, on obtient :

f(2−x)=−x3+3x2−5x+4f(2 - x) = -x^3 + 3x^2 - 5x + 4
7

On calcule la somme f(2−x)+f(x)f(2 - x) + f(x) :

f(2−x)+f(x)=(−x3+3x2−5x+4)+(x3−3x2+5x−2)=2f(2 - x) + f(x) = (-x^3 + 3x^2 - 5x + 4) + (x^3 - 3x^2 + 5x - 2) = 2
8

Puisque 2=2×1=2b2 = 2 \times 1 = 2b, la relation f(2a−x)+f(x)=2bf(2a - x) + f(x) = 2b est vérifiée pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}. Le point Ω(1,1)\Omega(1, 1) est donc un centre de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 10

Soit la fonction ff définie sur R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\} par f(x)=2x2−x+13x−3f(x) = \frac{2x^2-x+1}{3x-3}. Démontrer que le point Ω(1,1)\Omega(1, 1) est un centre de symétrie de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

On vérifie la symétrie du domaine : pour tout x∈R∖{1}x \in \mathbb{R} \setminus \{1\}, x≠1  ⟹  2(1)−x=2−x≠1x \neq 1 \implies 2(1) - x = 2 - x \neq 1. Donc (2−x)∈Df(2 - x) \in D_f.

2

On calcule f(2−x)f(2 - x) :

f(2−x)=2(2−x)2−(2−x)+13(2−x)−3=2(4−4x+x2)−2+x+13(1−x)=2x2−7x+7−3(x−1)f(2 - x) = \frac{2(2 - x)^2 - (2 - x) + 1}{3(2 - x) - 3} = \frac{2(4 - 4x + x^2) - 2 + x + 1}{3(1 - x)} = \frac{2x^2 - 7x + 7}{-3(x - 1)}
3

On regroupe f(2−x)f(2 - x) et f(x)f(x) au même dénominateur 3(x−1)3(x - 1) :

f(2−x)+f(x)=−(2x2−7x+7)+(2x2−x+1)3(x−1)f(2 - x) + f(x) = \frac{-(2x^2 - 7x + 7) + (2x^2 - x + 1)}{3(x - 1)}
4

On simplifie le numérateur :

f(2−x)+f(x)=−2x2+7x−7+2x2−x+13(x−1)=6x−63(x−1)=6(x−1)3(x−1)=2f(2 - x) + f(x) = \frac{-2x^2 + 7x - 7 + 2x^2 - x + 1}{3(x - 1)} = \frac{6x - 6}{3(x - 1)} = \frac{6(x - 1)}{3(x - 1)} = 2
5

Comme 2=2×1=2b2 = 2 \times 1 = 2b, le point Ω(1,1)\Omega(1, 1) est bien un centre de symétrie de Cf\mathcal{C}_f.

Piège classique · 11

Pour une fonction gg définie sur R\mathbb{R}, on établit que pour tout réel xx : g(4−x)+g(x)=6g(4 - x) + g(x) = 6. Quelles sont les coordonnées du centre de symétrie Ω\Omega de sa courbe ?

Attention

Conclure que le centre est Ω(2,6)\Omega(2, 6) en confondant la somme avec l'ordonnée bb.

À la place : La relation fondamentale est g(2a−x)+g(x)=2bg(2a - x) + g(x) = 2b. Ici 2a=4  ⟹  a=22a = 4 \implies a = 2 et 2b=6  ⟹  b=32b = 6 \implies b = 3. Le centre est Ω(2,3)\Omega(2, 3).

Vérification · 12

Soit la fonction hh définie sur R∖{2}\mathbb{R} \setminus \{2\} par h(x)=5+1x−2h(x) = 5 + \frac{1}{x - 2}. Quel est le centre de symétrie de sa courbe représentative Ch\mathcal{C}_h ?

Remarque

Pour a=2a = 2, h(4−x)=5+12−x=5−1x−2h(4 - x) = 5 + \frac{1}{2 - x} = 5 - \frac{1}{x - 2}. La somme vaut h(4−x)+h(x)=10=2×5h(4 - x) + h(x) = 10 = 2 \times 5, ce qui donne b=5b = 5. Le centre de symétrie est Ω(2,5)\Omega(2, 5), qui correspond au point d'intersection des asymptotes x=2x = 2 et y=5y = 5.

Point de départ · 13

Si pour une fonction ff, la différence f(x)−(2x+1)f(x) - (2x + 1) tend vers 00 lorsque xx tend vers +∞+\infty, que se passe-t-il géométriquement pour la courbe Cf\mathcal{C}_f ?

Remarque

La distance verticale ∣f(x)−(2x+1)∣|f(x) - (2x+1)| devient arbitrairement petite : la courbe Cf\mathcal{C}_f se rapproche indéfiniment de la droite d'équation y=2x+1y = 2x + 1 sans nécessairement la toucher.

Définition · 14

Asymptotes verticales, horizontales et obliques

Soit ff une fonction numérique et Cf\mathcal{C}_f sa courbe représentative dans un repère orthogonal.

lim⁡x→x0f(x)=±∞  ⟺  la droite x=x0 est asymptote verticale aˋ Cf\lim_{x \to x_0} f(x) = \pm\infty \iff \text{la droite } x = x_0 \text{ est asymptote verticale à } \mathcal{C}_f

lim⁡x→±∞f(x)=ℓ  ⟺  la droite y=ℓ est asymptote horizontale aˋ Cf en ±∞\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = \ell \iff \text{la droite } y = \ell \text{ est asymptote horizontale à } \mathcal{C}_f \text{ en } \pm\infty

lim⁡x→±∞[f(x)−(ax+b)]=0(a≠0)  ⟺  la droite y=ax+b est asymptote oblique en ±∞\lim_{x \to \pm\infty} [f(x) - (ax+b)] = 0 \quad (a \neq 0) \iff \text{la droite } y = ax+b \text{ est asymptote oblique en } \pm\infty

Remarque

Si f(x)f(x) se décompose sous la forme f(x)=ax+b+g(x)f(x) = ax + b + g(x) avec lim⁡x→±∞g(x)=0\lim_{x \to \pm\infty} g(x) = 0, alors la droite y=ax+by = ax + b est immédiatement asymptote oblique.

Exemple travaillé · 15

Soit la fonction ff définie sur R∖{−1}\mathbb{R} \setminus \{-1\} par f(x)=x2+2x−1x+1f(x) = \frac{x^2+2x-1}{x+1}. Démontrer que la droite Δ:y=x+1\Delta : y = x + 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty et en −∞-\infty, puis préciser l'autre asymptote.

1

On transforme l'expression du numérateur pour faire apparaître le dénominateur :

x2+2x−1=(x+1)2−2x^2 + 2x - 1 = (x+1)^2 - 2
2

On décompose la fraction rationnelle pour tout x≠−1x \neq -1 :

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

On évalue la limite de la différence en l'infini :

lim⁡∣x∣→+∞[f(x)−(x+1)]=lim⁡∣x∣→+∞(−2x+1)=0\lim_{|x| \to +\infty} [f(x) - (x+1)] = \lim_{|x| \to +\infty} \left(-\frac{2}{x+1}\right) = 0
4

La droite Δ:y=x+1\Delta : y = x + 1 est donc une asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f au voisinage de +∞+\infty et de −∞-\infty.

5

En x=−1x = -1, le numérateur vaut (−1)2+2(−1)−1=−2≠0(-1)^2+2(-1)-1 = -2 \neq 0 et le dénominateur s'annule : lim⁡x→−1∣f(x)∣=+∞\lim_{x \to -1} |f(x)| = +\infty. La droite d'équation x=−1x = -1 est donc une asymptote verticale à Cf\mathcal{C}_f.

Exemple travaillé · 16

Soit la fonction ff définie sur ]−∞;−1]∪[3;+∞[]-\infty ; -1] \cup [3 ; +\infty[ par f(x)=(x−1)2−4f(x) = \sqrt{(x-1)^2 - 4}. Démontrer que la droite Δ1:y=x−1\Delta_1 : y = x - 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty, et que la droite Δ2:y=−x+1\Delta_2 : y = -x + 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en −∞-\infty.

1

Au voisinage de +∞+\infty, pour x>3x > 3, on multiplie par l'expression conjuguée :

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

Quand x→+∞x \to +\infty, le dénominateur tend vers +∞+\infty, donc lim⁡x→+∞[f(x)−(x−1)]=0\lim_{x \to +\infty} [f(x) - (x-1)] = 0. La droite Δ1:y=x−1\Delta_1 : y = x - 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en +∞+\infty.

3

Au voisinage de −∞-\infty, pour x<−1x < -1, on a x−1<0x - 1 < 0, donc ∣x−1∣=−(x−1)=−x+1|x-1| = -(x-1) = -x+1. On étudie la différence avec −x+1-x+1 :

f(x)−(−x+1)=f(x)+(x−1)f(x) - (-x+1) = f(x) + (x-1)
4

On utilise à nouveau l'expression conjuguée :

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

Quand x→−∞x \to -\infty, −(x−1)→+∞-(x-1) \to +\infty, le dénominateur tend vers +∞+\infty. On obtient lim⁡x→−∞[f(x)−(−x+1)]=0\lim_{x \to -\infty} [f(x) - (-x+1)] = 0. La droite Δ2:y=−x+1\Delta_2 : y = -x + 1 est asymptote oblique à Cf\mathcal{C}_f en −∞-\infty.

Piège classique · 17

Lorsqu'on factorise x2x^2 sous la racine x2+4\sqrt{x^2+4} pour x<0x < 0 au voisinage de −∞-\infty, quelle expression obtient-on ?

Attention

Écrire x2=x\sqrt{x^2} = x quand xx tend vers −∞-\infty, ce qui fausse le signe des termes asymptotiques.

À la place : Pour tout réel xx, x2=∣x∣\sqrt{x^2} = |x|. Lorsque x<0x < 0, on a ∣x∣=−x|x| = -x. Ainsi, x2+4=x2(1+4x2)=−x1+4x2\sqrt{x^2+4} = \sqrt{x^2\left(1+\frac{4}{x^2}\right)} = -x\sqrt{1+\frac{4}{x^2}}.

Vérification · 18

Soit f(x)=2x+x2−1f(x) = 2x + \sqrt{x^2-1} définie sur ]−∞;−1]∪[1;+∞[]-\infty ; -1] \cup [1 ; +\infty[. Quelle est l'équation de l'asymptote oblique à la courbe Cf\mathcal{C}_f au voisinage de −∞-\infty ?

Remarque

Pour x<0x < 0, x2−1=−x1−1x2\sqrt{x^2-1} = -x\sqrt{1 - \frac{1}{x^2}}. On a donc f(x)≈2x−x=xf(x) \approx 2x - x = x. En formant la différence par quantité conjuguée : f(x)−x=x+x2−1=−1x2−1−xf(x) - x = x + \sqrt{x^2-1} = \frac{-1}{\sqrt{x^2-1} - x}, dont la limite en −∞-\infty est 00. L'asymptote oblique en −∞-\infty est bien y=xy = x (alors qu'en +∞+\infty, elle vaut y=3xy = 3x).

Point de départ · 19

Lorsque xx se rapproche d'une borne x0x_0, que devient géométriquement la droite sécante passant par M0(x0,f(x0))M_0(x_0, f(x_0)) et M(x,f(x))M(x, f(x)) si le taux d'accroissement f(x)−f(x0)x−x0\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} tend vers +∞+\infty ou −∞-\infty ?

La pente devenant infiniment grande, la droite sécante se redresse jusqu'à devenir verticale. La courbe admet ainsi en ce point de contact une demi-tangente verticale.

Définition · 20

Demi-tangentes verticales et orientation

Soit ff une fonction continue en un point x0x_0 d'une borne de son ensemble de définition DfD_f.

lim⁡x→x0+f(x)−f(x0)x−x0=±∞oulim⁡x→x0−f(x)−f(x0)x−x0=±∞\lim_{x \to x_0^+} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = \pm\infty \quad \text{ou} \quad \lim_{x \to x_0^-} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = \pm\infty

Dans les deux cas, ff n'est pas dérivable en x0x_0, et la courbe Cf\mathcal{C}_f admet au point M0(x0,f(x0))M_0(x_0, f(x_0)) une demi-tangente verticale.

Aˋ droite (x→x0+):{+∞  ⟹  dirigeˊe vers le haut (↑)−∞  ⟹  dirigeˊe vers le bas (↓)\text{À droite } (x \to x_0^+) : \begin{cases} +\infty \implies \text{dirigée vers le haut } (\uparrow) \\ -\infty \implies \text{dirigée vers le bas } (\downarrow) \end{cases}
Aˋ gauche (x→x0−):{−∞  ⟹  dirigeˊe vers le haut (↑)+∞  ⟹  dirigeˊe vers le bas (↓)\text{À gauche } (x \to x_0^-) : \begin{cases} -\infty \implies \text{dirigée vers le haut } (\uparrow) \\ +\infty \implies \text{dirigée vers le bas } (\downarrow) \end{cases}

Remarque

Règle mnémotechnique : le sens vertical de la flèche correspond au signe du produit entre le côté d'approche (++ à droite, −- à gauche) et le signe de l'infini (++ ou −-).

Exemple travaillé · 21

Soit la fonction ff définie sur [0;+∞[[0 ; +\infty[ par f(x)=2xf(x) = \sqrt{2x}. Étudier la dérivabilité de ff à droite en 00 et interpréter géométriquement le résultat.

1

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

f(x)−f(0)x−0=2xx\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{\sqrt{2x}}{x}
2

Pour x>0x > 0, on simplifie en introduisant x=x2x = \sqrt{x^2} sous la racine :

2xx=2xx2=2x\frac{\sqrt{2x}}{x} = \sqrt{\frac{2x}{x^2}} = \sqrt{\frac{2}{x}}
3

On calcule la limite à droite en 00 :

lim⁡x→0+2x=+∞\lim_{x \to 0^+} \sqrt{\frac{2}{x}} = +\infty
4

La limite étant infinie, ff n'est pas dérivable à droite en 00.

5

Comme on approche à droite (++) avec une limite +∞+\infty, la courbe Cf\mathcal{C}_f admet à l'origine O(0,0)O(0, 0) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

Exemple travaillé · 22

Soit g(x)=x+1+x2+2xg(x) = x + 1 + \sqrt{x^2+2x} définie sur ]−∞;−2]∪[0;+∞[]-\infty ; -2] \cup [0 ; +\infty[. Étudier la dérivabilité de gg à droite en 00 et à gauche en −2-2.

1

À droite en 00 : g(0)=1g(0) = 1. Pour x>0x > 0, on forme le quotient :

g(x)−g(0)x=x+x(x+2)x=1+x+2x\frac{g(x) - g(0)}{x} = \frac{x + \sqrt{x(x+2)}}{x} = 1 + \sqrt{\frac{x+2}{x}}
2

Quand x→0+x \to 0^+, x+2x→+∞\frac{x+2}{x} \to +\infty, d'où lim⁡x→0+g(x)−g(0)x=+∞\lim_{x \to 0^+} \frac{g(x)-g(0)}{x} = +\infty. La courbe Cg\mathcal{C}_g admet en (0,1)(0, 1) une demi-tangente verticale dirigée vers le haut.

3

À gauche en −2-2 : g(−2)=−1g(-2) = -1. Pour tout x<−2x < -2, on a x+2<0x + 2 < 0, donc x+2=−(x+2)2x + 2 = -\sqrt{(x+2)^2} :

g(x)−g(−2)x+2=x+2+x(x+2)x+2=1−x(x+2)(x+2)2=1−xx+2\frac{g(x) - g(-2)}{x+2} = \frac{x + 2 + \sqrt{x(x+2)}}{x+2} = 1 - \sqrt{\frac{x(x+2)}{(x+2)^2}} = 1 - \sqrt{\frac{x}{x+2}}
4

Quand x→−2−x \to -2^-, x→−2<0x \to -2 < 0 et x+2→0−x+2 \to 0^-, donc xx+2→+∞\frac{x}{x+2} \to +\infty et −xx+2→−∞-\sqrt{\frac{x}{x+2}} \to -\infty :

lim⁡x→−2−g(x)−g(−2)x+2=−∞\lim_{x \to -2^-} \frac{g(x) - g(-2)}{x+2} = -\infty
5

Approche à gauche (signe −-) et limite −∞-\infty : le produit (−)(−)=+(-)(-) = + donne une demi-tangente verticale dirigée vers le haut au point (−2,−1)(-2, -1).

Piège classique · 23

Pour tout réel x<−2x < -2, quelle est la simplification correcte du rapport x2+2xx+2\frac{\sqrt{x^2+2x}}{x+2} ?

Attention

Écrire Ax+2=A(x+2)2\frac{\sqrt{A}}{x+2} = \sqrt{\frac{A}{(x+2)^2}} sans signe négatif en oubliant que x+2<0x + 2 < 0.

À la place : Comme x<−2x < -2, on a x+2<0x + 2 < 0, donc x+2=−∣x+2∣=−(x+2)2x + 2 = -|x+2| = -\sqrt{(x+2)^2}. Le signe moins reste impérativement devant la racine : x(x+2)x+2=−xx+2\frac{\sqrt{x(x+2)}}{x+2} = -\sqrt{\frac{x}{x+2}}.

Vérification · 24

Soit une fonction hh continue sur ]−∞;3]]-\infty ; 3]. On établit que lim⁡x→3−h(x)−h(3)x−3=+∞\lim_{x \to 3^-} \frac{h(x)-h(3)}{x-3} = +\infty. Quelle est la nature de la demi-tangente à la courbe Ch\mathcal{C}_h au point d'abscisse 33 ?

Remarque

À gauche (x<3x < 3, signe −-) avec une limite +∞+\infty (signe ++), le produit des signes donne (−)(+)=−(-)(+) = - : la demi-tangente est verticale et dirigée vers le bas.

Point de départ · 25

Si la dérivée d'une fonction dérivable ff s'annule en un point x0x_0 (f′(x0)=0f'(x_0) = 0), peut-on affirmer avec certitude que ff admet un extremum local en x0x_0 ?

Remarque

La fonction cube x↦x3x \mapsto x^3 en fournit un contre-exemple direct : sa dérivée 3x23x^2 s'annule en 0, mais la fonction est strictement croissante sur R\mathbb{R}. La courbe présente une tangente horizontale en (0,0)(0, 0), mais ni maximum ni minimum local.

Définition · 26

Monotonie stricte et points d'inflexion

f′(x)≥0 sur I avec des zeˊros isoleˊs   ⟹  f est strictement croissante sur If'(x) \ge 0 \text{ sur } I \text{ avec des zéros isolés } \implies f \text{ est strictement croissante sur } I

De même, si f′(x)≤0f'(x) \le 0 et ne s'annule qu'en un nombre fini de points isolés, ff est strictement décroissante sur II.

Caractérisation du point d'inflexion

I(x0,f(x0)) est un point d’inflexion de Cf  ⟺  Cf traverse sa tangente en x0I(x_0, f(x_0)) \text{ est un point d'inflexion de } \mathcal{C}_f \iff \mathcal{C}_f \text{ traverse sa tangente en } x_0

f′′(x0)=0etf′′ change de signe en x0f''(x_0) = 0 \quad \text{et} \quad f'' \text{ change de signe en } x_0

Remarque

L'annulation seule de la dérivée seconde ne suffit pas : pour qu'il y ait inflexion, f′′f'' doit impérativement changer de signe, ce qui traduit un basculement de concavité.

Exemple travaillé · 27

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3−3x2+5x−2f(x) = x^3 - 3x^2 + 5x - 2. Déterminer le point d'inflexion de la courbe Cf\mathcal{C}_f et étudier la traversée de sa tangente en ce point.

1

ff est deux fois dérivable sur R\mathbb{R}. On calcule la dérivée première :

f′(x)=3x2−6x+5f'(x) = 3x^2 - 6x + 5
2

On calcule la dérivée seconde :

f′′(x)=6x−6=6(x−1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1)
3

On étudie le signe de f′′(x)f''(x) : f′′(x)=0  ⟺  x=1f''(x) = 0 \iff x = 1. Pour x<1x < 1, f′′(x)<0f''(x) < 0 ; pour x>1x > 1, f′′(x)>0f''(x) > 0. f′′f'' s'annule en 1 en changeant de signe, donc I(1,f(1))=I(1,1)I(1, f(1)) = I(1, 1) est un point d'inflexion de Cf\mathcal{C}_f.

4

La tangente (T)(T) en x0=1x_0 = 1 a pour coefficient directeur f′(1)=3−6+5=2f'(1) = 3 - 6 + 5 = 2 :

y=f′(1)(x−1)+f(1)=2(x−1)+1=2x−1y = f'(1)(x - 1) + f(1) = 2(x - 1) + 1 = 2x - 1
5

On étudie le signe de la différence f(x)−yTf(x) - y_T :

f(x)−(2x−1)=x3−3x2+3x−1=(x−1)3f(x) - (2x - 1) = x^3 - 3x^2 + 3x - 1 = (x - 1)^3
6

Comme (x−1)3<0(x - 1)^3 < 0 sur ]−∞;1[]-\infty ; 1[ et (x−1)3>0(x - 1)^3 > 0 sur ]1;+∞[]1 ; +\infty[, la courbe Cf\mathcal{C}_f traverse sa tangente (T)(T) en I(1,1)I(1, 1).

Exemple travaillé · 28

Soit la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3x2+3x+3f(x) = \frac{x^3}{x^2+3x+3}. Montrer que ff est strictement croissante sur R\mathbb{R} tout entier, bien que sa dérivée s'annule en deux points.

1

Le trinôme x2+3x+3x^2+3x+3 a pour discriminant Δ=9−12=−3<0\Delta = 9 - 12 = -3 < 0, donc le dénominateur est strictement positif sur R\mathbb{R}. ff est dérivable sur R\mathbb{R}.

2

On dérive le quotient :

f′(x)=3x2(x2+3x+3)−x3(2x+3)(x2+3x+3)2f'(x) = \frac{3x^2(x^2+3x+3) - x^3(2x+3)}{(x^2+3x+3)^2}
3

On développe et factorise le numérateur :

3x4+9x3+9x2−2x4−3x3=x4+6x3+9x2=x2(x+3)23x^4 + 9x^3 + 9x^2 - 2x^4 - 3x^3 = x^4 + 6x^3 + 9x^2 = x^2(x + 3)^2
4

On en déduit l'expression de f′(x)f'(x) :

f′(x)=x2(x+3)2(x2+3x+3)2f'(x) = \frac{x^2(x+3)^2}{(x^2+3x+3)^2}
5

Pour tout x∈Rx \in \mathbb{R}, f′(x)≥0f'(x) \ge 0 car le numérateur et le dénominateur sont des carrés. De plus, f′(x)=0  ⟺  x=0 ou x=−3f'(x) = 0 \iff x = 0 \text{ ou } x = -3.

6

Comme f′f' est positive et ne s'annule qu'en des points isolés (sans être nulle sur aucun intervalle ouvert), ff est strictement croissante sur R\mathbb{R}.

Piège classique · 29

Soit une fonction gg dérivable sur [−2;2][-2 ; 2] telle que pour tout xx, g′(x)=x2g'(x) = x^2. L'élève affirme : « Comme g′(0)=0g'(0) = 0, gg admet un minimum en 0 et n'est pas strictement croissante sur [−2;2][-2 ; 2]. » Quelle est l'analyse correcte ?

Attention

Déclarer un extremum local dès que la dérivée s'annule, sans vérifier si elle change de signe.

À la place : Pour tout xx, g′(x)=x2≥0g'(x) = x^2 \ge 0. La dérivée s'annule en 0 sans changer de signe (g′(x)>0g'(x) > 0 pour x≠0x \neq 0). Il n'y a pas d'extremum : gg est strictement croissante sur [−2;2][-2 ; 2], et le point d'abscisse 0 est un palier d'inflexion.

Vérification · 30

Le tableau de signes de la dérivée d'une fonction hh dérivable sur R\mathbb{R} donne : h′(x)>0h'(x) > 0 sur ]−∞;2[]-\infty ; 2[, h′(2)=0h'(2) = 0, et h′(x)>0h'(x) > 0 sur ]2;+∞[]2 ; +\infty[. Que représente le point d'abscisse 22 pour la courbe de hh ?

Remarque

La dérivée h′h' s'annule en 2 sans changer de signe. La fonction hh est strictement croissante sur R\mathbb{R}, et le point d'abscisse 2 est un point d'inflexion à tangente horizontale (un palier).

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