DÉRIVATION I

DÉRIVATION
Index
I- Activités ............................................................................................................................................................... 2
Activité 1: raccorder une voie ferrée (une "bonne" courbe) .......................................................................... 2
Activité 2 : la piste de ski ............................................................................................................................... 2
Activité 3: sécante à une courbe, position limite ........................................................................................... 3
Activité 4: vitesse moyenne, vitesse instantanée ........................................................................................... 3
II- Nombre dérivé .................................................................................................................................................... 3
II-1- Taux de variation d'une fonction ou accroissement moyen ....................................................................... 4
II-1-1- Définition ........................................................................................................................................... 4
Exemple: .................................................................................................................................................... 4
II-1-2- Interprétation graphique ..................................................................................................................... 4
Exemple: .................................................................................................................................................... 4
II-2- Nombre dérivé ............................................................................................................................................ 5
II-2-1- Définition et notation du nombre dérivé. ........................................................................................... 5
Exemple ..................................................................................................................................................... 5
II-2-2- Interprétation graphique: tangente à la courbe Cf .............................................................................. 6
Exemple ..................................................................................................................................................... 6
Équation réduite d'une tangente et approximation affine de f ................................................................... 7
III- Fonction dérivée ................................................................................................................................................ 7
III-1- Définition .................................................................................................................................................. 7
Remarque très, très importante (et même plus...): .................................................................................... 7
III-2- Formules: dérivées des fonctions usuelles (à connaître par cœur) ............................................................ 8
III-3: Formules: Dérivées et opérations sur les fonctions (à connaître par cœur). ............................................. 9
Exemples et méthode: ............................................................................................................................... 9
III-4 Dérivées des fonctions affines, des fonctions polynômes et des fonctions homographiques .................. 10
IV- Applications de la dérivée ............................................................................................................................... 11
IV-1- Dérivée et sens de variation. ................................................................................................................... 11
IV-1-1- Observation ..................................................................................................................................... 11
IV-1-2- Théorème fondamental ................................................................................................................... 11
Réciproque .............................................................................................................................................. 11
IV-1-3- Extremum ....................................................................................................................................... 12
IV-1-4- Exemples et méthode ...................................................................................................................... 12
IV-2- Tangente à une courbe représentative de fonctions ................................................................................ 13
Lecture graphique ........................................................................................................................................ 15
"La différence entre le mot juste et un mot presque juste est la même qu'entre l'éclair et la luciole." Mark Twain
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I- Activités
Activité 1: raccorder une voie ferrée (une "bonne" courbe)
Sur le plan ci-dessous sont représentés des rails déjà existants de chemin de fer.
Une société de transports veut relier ces rails pour permettre le passage de wagons.
Le « rail » doit desservir les deux usines
U1
et
U2
.
Aidez l'ingénieur à dessiner une courbe possible liant ces rails en précisant comment doivent être les raccords
pour que les wagons puissent rouler sans dérailler.
Activité 2 : la piste de ski
La courbe ci-dessous représente le profil d'une piste de ski, partant d'une vallée O, en passant par un col C et
arrivant dans la vallée A. En abscisse est indiquée la distance horizontale depuis le point de départ O, en
ordonnée l'altitude par rapport à O. L'unité sur chaque axe est l'hectomètre.
Le point H désigne un hameau , le point R un refuge.
"La différence entre le mot juste et un mot presque juste est la même qu'entre l'éclair et la luciole." Mark Twain
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Le guide prétend qu'au hameau H, la pente de la piste est de 120%:
Quelle construction peut-on envisager pour vérifier cette valeur ?
Évaluer la pente de la piste au refuge R.
Quelle est la pente de la piste au col C ? au départ O ? à l'arrivée A ?
Activité 3: sécante à une courbe, position limite
On considère la fonction f définie sur ℝ par x  –x² + 3.
On note P sa représentation graphique dans un repère.
1) Construire P (penser aux fonctions associées ...) et placer sur P les point A et B d'abscisses respectives 1 et 3.
Calculer le coefficient directeur de la droite (AB).
2) h étant un réel non nul, placer le point M sur P d'abscisse 1 + h.
Calculer le coefficient directeur m de la droite (AM) en fonction de h.
3) Que devient m quand h tend vers 0? (On dit que la limite de m quand h tend vers 0 est ....)
Tracer la droite correspondante, et, interpréter les résultats.
Activité 4: vitesse moyenne, vitesse instantanée
Un mobile se déplace sur une trajectoire. Un savant calcul à montrer que la distance parcourue sur cette
trajectoire s'exprime par la fonction d(t) =
1
2
t² + t où t est la durée du parcours exprimée en secondes et d(t) la
distance exprimée en mètres.
1 a) Calculer d(5) et d(3).
b) Quelle est la vitesse moyenne en ms-1 du mobile entre ces deux dates?
2) a) Soit h un réel positif. Calculer en fonction de h la vitesse moyenne
Vm
(h) en ms-1 du mobile entre les
dates 3 et 3 +h.
b) Que devient
Vm
quand h tend vers 0?
II- Nombre dérivé
Les activités précédentes nous amènent à calculer des quotients de la forme
fb– f a
b – a
ou
fah– f a
h
La suite du cours va préciser les définitions et le rôle de ce quotient.
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Rappel des notions essentielles dans ce chapitre :
- fonction numérique (le procédé d'association de deux nombres, le programme de calculs)
Exemple : prendre l'inverse, élever au carré, multiplier par 2, ….
- définie sur un intervalle (un intervalle est l'ensemble de tous les réels compris entre deux bornes … il se lit
en continu sur l'axe des abscisses lors de la représentation graphique (il ne faut pas de " trou "). Une réunion
de deux intervalles disjoints n'est pas un intervalle.) (Tous les réels de cet intervalle ont une et une seule image
par la fonction).
Exemple : on peut écrire " la fonction inverse est définie sur ]–∞ ; 0[ ∪ ]0 ; +∞["
on ne peut pas écrire " la fonction inverse est décroissante sur ]–∞ ; 0[ ∪ ]0 ; +∞["
- représentation graphique de f (ce n'est pas f, ce n'est pas f (x), c'est un objet géométrique)
Réflexe : Dans un repère, M(x ; y) ∈ Cf si et seulement si y = f (x). y = f (x) est une équation de Cf dans
ce repère).
- le coefficient directeur d'une droite (m =
Δy
Δx
)
- Comprendre que y = m(x – xA) + f(xA) est une équation de la droite passant par le point A(xA ; f(xA)) et de
coefficient directeur m.
II-1- Taux de variation d'une fonction ou accroissement moyen
Dans tout ce paragraphe, f est une fonction définie sur un intervalle I et, a, b sont des réels de I. (Sinon il n'est
pas possible de calculer les images de a et b par f)
h est un réel non nul tel que a + h est dans l'intervalle I (car, on doit pouvoir calculer l'image de a + h par f).
Cf est la représentation graphique de f dans un repère.
II-1-1- Définition
Le taux de variation de f entre a et b ou accroissement moyen de f entre a et b est le quotient
fb– f a
b – a
,
ou, en posant b = a + h,
fah– f a
h
.
Exemple:
Dans l'activité 3, le coefficient directeur de la droite (AB) est :
f(3)− f(1)
3−1
= –4
le coefficient directeur de la droite (AM) est :
f(1+h)− f(1)
h
= –2 – h.
Dans l'activité 4, la vitesse moyenne entre les dates 3 et 5 est le taux de variation de la fonction d donnant la
position du mobile. Vmoyenne =
d(5)−d(3)
5−3
= ….
La vitesse moyenne entre les dates 3 et 3 + h est
Vm
(h) =
d3h– d 3
h
= 4 +
h
2
.
II-1-2- Interprétation graphique
En posant A(a, f(a)) et B(b, f(b)) (donc A et B sont des points de Cf), le coefficient directeur de la droite (AB) est
égale à
y
x
=
fb– f a
b – a
.
(AB) est une sécante à la courbe Cf.
Exemple:
On prend à nouveau l'activité 3, on a trouvé: A(1; 2) et B(3; –6)
"La différence entre le mot juste et un mot presque juste est la même qu'entre l'éclair et la luciole." Mark Twain
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Le coefficient directeur de (AB) est:
–6–2
3–1
= – 4.
Si M(1 + h, f(1 + h)), le coefficient directeur de la droite (AM) est:
–1h23–2
h
= ... = –2 – h
Dans l'activité 2, la pente en un point de la piste a été définie comme le coefficient directeur d'une droite ...
II-2- Nombre dérivé
Dans ce paragraphe, apparaissent les expressions "tend vers", "de plus en plus proche de ...".
Ces expressions sont prises dans leur sens naturel où on déplace un nombre sur un axe. Lorsque ce nombre se
déplace, il se rapproche d'un autre nombre ou il tend vers ...
Dans les activités 3 et 4, le nombre réel h prend des valeurs de plus en plus proches de 0.
Dans l'activité 3, le point M est mobile sur la courbe P et se rapproche donc du point A.
Quand h tend vers 0, l'ordonnée f(1 + h) du point M tend vers l'ordonnée f(1) = 2 du point A.
On dit: la limite de f (1 + h) quand h tend vers 0 est f(1) et on écrit:
lim
h0
f1h
= f(1)
Le taux de variation (coefficient directeur de la droite (AM)) tend vers –2 quand h tend vers 0.
On écrit:
lim
h0
f1h– f 1
h
= –2
Dans l'activité 4, on peut imaginer qu'on mesure des durées de plus en plus faibles à partir de la date 3.
La limite de la vitesse moyenne
VM
(h) quand h tend vers 0 est 4:
lim
h→0
Vm(h)
= 4
II-2-1- Définition et notation du nombre dérivé.
Si le quotient
fah– f a
h
tend vers un nombre réel l lorsque h tend vers 0, alors la fonction f est
dérivable en a.
La limite l de ce quotient s'appelle le nombre dérivé de f en a.
On le note f ' (a).
Quand la fonction f est dérivable en a, on a :
lim
h→0
fah– f a
h
= f ' (a).
Exemple
Dans l'activité 3, on a trouvé: f ' (1) = –2
Dans l'activité 4, on a trouvé: d ' (3) = 4
Pour bien comprendre :
- on calcule un nombre réel qui dépend du point choisi …
- le calcul direct est impossible … on ne pourra jamais évaluer le quotient lorsque h = 0 (cf. activité 2)
- on " imagine " (les règles rigoureuses ne concernent pas notre programme) ce qui se passe quand h tend vers
0. (Comportement du nombre … et on admet que lorsque ce comportement tend vers un nombre réel bien
défini, ce réel est la limite du quotient
fah– f a
h
, et, on le nomme " nombre dérivé de f en a ".
- ce qui veut dire aussi que parfois, il n'y aura pas de nombre dérivé en un point (ou plusieurs)….
soit le " comportement " du quotient nous mène vers " l'infini " (cf. l'étude de la fonction
√
en 0 faite
"La différence entre le mot juste et un mot presque juste est la même qu'entre l'éclair et la luciole." Mark Twain
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