PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles Chapitre 13 : Dérivation Exercice type 1 Soit f (x) = xx , peut on prolonger f sur R+ , le prolongement est-il dérivable sur R+ ? Solution : On a f (x) = exp (x ln x) , par les croissances comparées, x ln x −−−→ 0, ainsi par continuité de exp en 0, il x→0 vient f (x) −−−→ e0 = 1. On pose donc f (0) = 1. Pour la dérivabilité, on a τ (x) = x→0 u = x ln x −−−→ 0, on a ex ln x − 1 ∼ x ln x et ainsi x→0 f (x) − f (0) ex ln x − 1 = . Puisque x−0 x x→0 τ (x) ∼ ln x −−−→ −∞ x→0 x→0 La fonction n’est pas dérivable en x = 0 (tangente verticale). Exercice type 2 Déterminer a et b réels pour que la fonction f définie par f (x) = √ x si 0 x 1 et f (x) = ax2 + bx + 1 si x > 1 soit dérivable sur R∗+ . Solution : Analyse : Si f est dérivable sur ]0, +∞[ elle y est continue, en particulier en x = 1, on a f (1) = lim− f (x) = x→1 √ 1 = lim+ f (x) = a + b + 1. Ainsi a + b = 0 est une condition nécessaire. x→1 f (x) − f (1) f (x) − f (1) = lim+ = f ′ (1). Mais x−1 x−1 x→1 x→1 √ √ x−1 1−h−1 1 = ∼ si x < 1 (donc h > 0) h→0 2 x − 1 x=1−h −h ax2 − ax = ax −−−→ a si x > 1 (on a utilisé b = −a) x→1 x−1 De plus, si f est dérivable en x = 1, on doit avoir lim− f (x) − f (1) x−1 f (x) − f (1) x−1 = = 1 1 (et b = − ) est une condition nécessaire. 2 2 Synthèse : avec a = −b = 12 et f (0) = 1, d’après ce qui précède, on a f continue, dérivable en 1 avec f ′ (1) = 12 . Ainsi a = Exercice type 3 5 Soit f définie par f (x) = x 2 sin 1 x si x > 0 et f (0) = 0. Montrer que f admet un développement limité à l’ordre 2 en 0+ , est C 1 sur [0, +∞[, mais que f ′′ (0) n’existe pas. Solution : Par les théorèmes généraux, f est de classe C ∞ sur ]0, +∞[ (composée et produit de fonctions C ∞ ). √ √ 1 1 Pour x > 0, on a f (x) = 0 + 0 × x + 0 × x2 + x2 × x sin . Puisque x sin −−−−→ 0 (bornée × tend vers 0), on x x x→0+ √ 1 a x2 × x sin = o x2 . Ainsi f admet une DL2 (0+ ). En particulier f admet un DL1 (0+ ) donc f (x) −−−−→ 0 x→0 x x→0+ ′ (le coefficient constant) donc f est continue en 0 et est dérivable en 0 avec f (0) = 0 (coefficient devant x). √ 1 1 1 1 1 3 5 3 Si x > 0, on a f ′ (x) = 52 x 2 sin + x 2 × − 2 cos = 52 x 2 sin − x cos . La fonction dérivée f ′ est x x x x x donc définie par 5 32 x sin 2 f ′ (0) = 0 f ′ (x) = 1 x − —1/8— √ x cos 1 x si x > 0 G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles √ 1 − x cos x qui tend vers 0), on a bien 3 Puisque 52 x 2 sin 1 x −−−−→ 0 (chaque terme tend vers 0 en tant que produit d’une bornée par une fonction + x→0 f ′ (x) −−−−→ f ′ (0) + x→0 Ainsi f ′ est continue en 0, ce qui signifie que f est C 1 sur [0, +∞[. En revanche 1 f ′ (x) − f ′ (0) 5√ 1 1 x sin τ (x) = = − √ cos x−0 2 x x x √ 1 = − 2nπ −−−−−→ −∞ donc n’a pas de limite en 0+ , ce qui prouve que f ′′ (0) n’existe pas. vérifie τ n→+∞ 2nπ Exercice type 4 f 2 (a + 3h) − f 2 (a − h) . h→0 h Soit f dérivable en a, calculer lim Solution : On sait que f dérivable en a si et seulement si f admet un DL1 (a) et ce DL est f (x) = f (a) + (x − a) f ′ (a) + o (x − a) x→0 On en déduit que f (a + 3h) = f (a) + 3hf ′ (a) + o (h) =⇒ f 2 (a + 3h) = f (a)2 + 6hf (a) f ′ (a) + o (h) h→0 2 ′ h→0 2 2 ′ f (a − h) = f (a) − hf (a) + o (h) =⇒ f (a − h) = f (a) − 2hf (a) f (a) + o (h) d’où h→0 h→0 f 2 (a + 3h) − f 2 (a − h) = 8f (a) f ′ (a) + o (1) −−−→ 8f (a) f ′ (a) h→0 h→0 h Exercice type 5 Soit h définie par h (x) = x2 + x + 1 ex et n ∈ N, calculer h(n) (x). Solution : Soit f et g définies par f (x) = x2 + x + 1 et g (x) = ex , f et g sont C ∞ donc C n sur R, on en déduit que h l’est et que l’on peut appliquer la formule de Leibniz. On a donc n n (k) ∀x ∈ R, h(n) (x) = f (x) g(n−k) (x) k k=0 ′ ′′ Or f (x) = 2x + 1, f (x) = 2 et f (k) 2 Puisque ∀p ∈ N, g k=0 (p) 3. Ainsi la somme n k=0 se réduit à une somme de k = 0 à k = 2 n (remarquons que si n < 2, on ajoute des termes qui sont nuls, car les coefficients du binôme sont nuls lorsque k > n). k On a donc ∀x ∈ R, h(n) (x) = (x) = 0 si k n (k) n (0) n (1) n (2) f (x) g (n−k) (x) = f (x) g(n−0) (x) + f (x) g (n−1) (x) + f (x) g(n−2) (x) k 0 1 2 (x) = ex , il vient ∀x ∈ R, h(n) (x) = x2 + x + 1 ex + n (2x + 1) ex + n (n − 1) × 2ex = x2 + (2n + 1) x + n2 + 1 ex 2 On vérifie que pour n = 0, on retrouve bien h (x) ! —2/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles Exercice 1 On considère la fonction f (x) = 1 , cette fonction est clairement de classe C ∞ sur R. 1 + x2 Montrer par récurrence qu’il existe un polynôme Pn (X) tel que, ∀x ∈ R, f (n) (x) = et que Pn (x) n+1 (1 + x2 ) Pn+1 (x) = 1 + x2 Pn′ (x) − 2 (n + 1) x Pn (x) Solution : Par récurrence sur n, on définit si n 0, Pn = ”il existe un polynôme Pn tel que , ∀x ∈ R, f (n) (x) = P0 Pn (x) n+1 ”. P0 est vraie car f(x) = 0+1 où P0 = 1 . (1 + x2 ) (1 + x2 ) Pn (x) On suppose, à n fixé, n 0, que Pn est vraie, alors f (n) (x) = donc (1 + x2 )n+1 f (n+1) (x) = f = (n) Pn (x) ′ (x) = (1 + x2 ) ′ = n+1 Pn′ (x) (1 + x2 ) n+1 − 2 (n + 1) xPn (x) n+2 (1 + x2 ) = 1 + x2 Pn′ (x) − 2 (n + 1) x Pn (x) (1 + x2 ) n+2 Pn+1 (x) (1 + x2 )n+2 où Pn+1 (x) = 1 + x2 Pn′ (x) − 2 (n + 1) x Pn (x) On vérifie que Pn+1 est bien un polynôme car Pn en est un. Ce qui prouve le résultat demandé. Exercice type 6 Soit f (x) = 1 Pn (x) qui est C ∞ sur R, on a montré qu’il existe un polynôme Pn tel que ∀x ∈ R, f (n) (x) = . 1 + x2 (1 + x2 )n+1 En particulier, on a ∀x ∈ R, 1 + x2 f ′ (x) + 2xf (x) = 0. En dérivant cette relation n fois, montrer que ∀x ∈ R, Pn+1 (x) + 2 (n + 1) x Pn (x) + n (n + 1) 1 + x2 Pn−1 (x) = 0 Solution : f est C ∞ donc f et f ′ sont dérivables n fois sur R. On applique la formule de Leibniz à h : x −→ 1 + x2 f ′ (x) qui est un produit de fonctions dérivables n fois, en posant u (x) = 1 + x2 , on a n n (k) ∀x ∈ R, h(n) (x) = u (x) f ′ (x)(n−k) k k=0 2 Puisque la dérivée k-ième de 1 + x est nulle pour k 2 ∀x ∈ R, h(n) (x) = k=0 3, cette somme se réduit à n (k) u (x) f ′ (x)(n−k) k = n (0) n (1) ′ n (2) u (x) f ′ (x)(n−0) + u f (x)(n−1) + u (x) f ′ (x)(n−2) 0 1 2 = 1 + x2 f (n+1) (x) + 2nxf (n) (x) + n (n − 1) f (n−1) (x) On applique de même la formule de Leibniz à g : x −→ 2xf (x) (produit de fonctions n fois dérivables) pour obtenir avec v (x) = 2x (la dérivée k-ième de v est nulle si k 2) 1 g (n) (x) = k=0 n (k) n (0) n (1) v (x) f (x)(n−k) = v (x) f (x)(n−0) + v (x) f (x)(n−1) k 0 1 2xf (n) (x) + 2nf (n−1) (x) —3/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles Ainsi, puisque h + g = 0, ∀x ∈ R, 1 + x2 f (n+1) (x) + 2 (n + 1) xf (n) (x) + n (n + 1) f (n−1) (x) = 0 Or f (n) (x) = Pn (x) (1 + x2 )n+1 d’où ∀x ∈ R, 1 + x2 En multipliant par 1 + x2 n+1 Pn+1 (x) (1 + n+2 x2 ) + 2 (n + 1) x Pn (x) (1 + n+1 x2 ) + n (n + 1) Pn−1 (x) n =0 (1 + x2 ) , on obtient ∀x ∈ R, Pn+1 (x) + 2 (n + 1) x Pn (x) + n (n + 1) 1 + x2 Pn−1 (x) = 0 Exercice type 7 Montrer que ∀x > 0, 1 1 < ln (x + 1) − ln (x) < . x+1 x Solution : Soit f définie sur ]0, +∞[ par f (u) = ln (u), pour x > 0, f est définie, continue sur [x, x + 1], dérivable sur ]x, x + 1[. Le théorème des accroissements finis permet d’affirmer qu’il existe u ∈ ]x, x + 1[ tel que ln (x + 1) − ln (x) = f (x + 1) − f (x) = f ′ (u) × (x + 1 − x) = Mais 0 < x < u < x + 1 =⇒ Ainsi ∀x > 0, 1 u 1 1 1 < < x+1 u x 1 1 < ln (x + 1) − ln (x) < . x+1 x Exercice type 8 Soit f : [a, b] → R, de classe C 2 sur [a, b] et 3 fois dérivables sur ]a, b[. On désire montrer qu’il existe c ∈ ]a, b[ tel que f (b) = f (a) + b−a ′ (b − a)3 (3) (f (a) + f ′ (b)) − f (c) 2 12 t−a ′ (t − a)3 (f (a) + f ′ (t)) + K où K est tel que ϕ (a) = ϕ (b) . 2 12 1. Calculer ϕ (a) et ϕ′ (a) (après avoir justifier que φ est dérivable). On pose ϕ (t) = f (t) − f (a) − 2. A l’aide du théorème de Rolle, conclure. Solution : 1. Puisque f est de classe C 2 sur [a, b], f ′ est de classe C 1 sur [a, b] et par les théorèmes généraux (produit et somme de fonctions C 1 ), la fonction ϕ est C 1 sur [a, b]. On a immédiatement ϕ (a) = 0 et ∀t ∈ [a, b] , ϕ′ (t) = f ′ (t) − 1 ′ t − a ′′ (t − a)2 (f (a) + f ′ (t)) − f (t) + K 2 2 4 Ainsi ϕ′ (a) = 0. —4/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles 2. La fonction ϕ est continue sur [a, b], dérivable sur ]a, b[ , puisque ϕ (a) = ϕ (b) = 0, d’après le théorème de Rolle, il existe d ∈ ]a, b[ tel que ϕ′ (d) = 0. La fonction ϕ′ est continue sur [a, b] (car ϕ est C 1 sur [a, b]), puisque f est 3 fois dérivable sur ]a, b[, f ′′ , et donc ϕ′ , est dérivable sur ]a, b[. Puisque ,ϕ′ (a) = ϕ′ (d) = 0, d’après le théorème de Rolle, il existe c ∈ ]a, d[ ⊂ ]a, b[ tel que ϕ′′ (c) = 0 Or 1 1 t − a (3) t−a t−a f (t) + K= K − f (3) (t) ∀t ∈ [a, b] , ϕ′′ (t) = f ′′ (t) − f ′′ (t) − f ′′ (t) − 2 2 2 2 2 Ainsi ϕ′′ (c) = 0 ⇐⇒ K = f (3) (c) On conclut en écrivant que K a été choisi de manière à avoir 3 ϕ (b) = f (b)−f (a)− 3 (b − a) (b − a) (3) b−a ′ b−a ′ (f (a) + f ′ (b))+ K = f (b)−f (a)− (f (a) + f ′ (b))+ f (c) = 0 2 12 2 12 ce qui prouve que (b − a)3 (3) b−a ′ (f (a) + f ′ (b)) − f (c) 2 12 Remarque : En toute rigueur, on peut, lorsque l’on définit ϕ se poser la question suivante : Le nombre K existe(b−a)3 ′ ′ t-il ? La réponse est oui, il suffit de résoudre f (b) − f (a) − b−a 2 (f (a) + f (b)) + 12 K = 0 qui a une unique solution car b = a. f (b) = f (a) + Exercice type 9 On considère la suite (un )n∈N définie par u0 = 0 et un+1 = cos (un ). Montrer que ∀n ∈ N, un ∈ [0, 1], que la fonction cos est lipschtzienne sur [0, 1] et que l’équation cos x = x a une unique solution ℓ dans [0, 1]. Montrer que un −−−−−→ ℓ. n→+∞ Solution : Soit f la fonction cosinus, elle est strictement décroissante sur 0, π2 donc sur [0, 1], ainsi 0 x 1 =⇒ 0 cos 1 f (x) 1 On en déduit que l’intervalle [0, 1] est stable par f (l’intervalle I est dit stable par f si x ∈ I =⇒ f (x) ∈ I). Puisque u0 ∈ [0, 1], par récurrence immédiate, ∀n ∈ N, un ∈ [0, 1]. La fonction f est dérivable sur [0, 1] avec f ′ (x) = − sin x. Par monotonie de sin sur [0, 1] , on a 0 sin x sin 1 =⇒ ∀x ∈ [0, 1] , |f ′ (x)| sin 1 Ainsi la fonction cos est sin 1−lipsichtzienne sur [0, 1]. Soit ϕ (x) = cos x − x, la fonction ϕ est continue sur [0, 1] et décroissante strictement (somme de fonctions strictement décroissantes), elle réalise donc une bijection de [0, 1] sur [ϕ (1) , ϕ (0)] = [cos 1 − 1, 1], puique cos 1 − 1 < 0, il existe un unique ℓ ∈ [0, 1] tel que ϕ (ℓ) = 0 ⇐⇒ cos ℓ = ℓ. On peut maintenant conclure, pour tout n ∈ N, un ∈ [0, 1] et ℓ ∈ [0, 1] donc |un+1 − ℓ| = |f (un ) − f (ℓ)| sin (1) |un − ℓ| Par récurrence on en déduit que |un − ℓ| (sin (1))n |u0 − ℓ| −−−−−→ 0 car 0 n→+∞ sin 1 < 1 Ce qui prouve que un −−−−−→ ℓ n→+∞ —5/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles Exercice 2 Soit (un )n∈N la suite définie par u0 > 0 et un+1 = 1. Soit f définie par f (x) = 1 . 1 + u2n 1 , déterminer sup |f ′ (x)| . Que peut-on en déduire pour f ? 1 + x2 [0,+∞[ 2. Montrer que l’équation f (x) = x admet une unique solution ℓ positive. 3. En déduire la nature de la suite (un )n∈N . Solution : 1. La fonction f est C ∞ sur R et f ′ (x) = − 2x 3x2 − 1 ′′ . Puisque , f (x) = 2 , on en déduit les variations de f ′ (1 + x2 )2 (x2 + 1)3 (faire un tableau) et ainsi ′ sup |f | = f ′ [0,+∞[ √1 3 √2 3 = 1+ 1 3 2 √ 3 3 <1 = 8 √ 3 3 En particulier, on en déduit que f est −lipshitzienne sur [0, +∞[ (via le TAF). 8 2. On a f (x) = x ⇐⇒ x 1 + x2 = 1 ⇐⇒ x3 + x − 1 = 0. La fonction ϕ définie par ϕ (x) = x3 + x2 − 1 est continue, strictement croissante sur [0, +∞[ (somme de fonctions strictement croissantes), d’après le théorème de la bijection, elle réalise une bijection de [0, +∞[ sur ϕ (0) , lim ϕ (x) = [−1, +∞[. En particulier, il existe un unique ℓ ∈ [0, +∞[ +∞ tel que ϕ (ℓ) = 0. 3. Par récurrence immédiate, on a un 0, soit un ∈ [0, +∞[ , on en déduit que, puisque un et ℓ sont [0, +∞[ √ 3 3 |un+1 − ℓ| = |f (un ) − f (ℓ)| |un − ℓ| 8 et par récurrence immédiate que √ 3 3 8 |un − ℓ| n √ 3 3 |u0 − ℓ| −−−−−→ 0 car <1 n→+∞ 8 Conclusion un −−−−−→ ℓ n→+∞ Exercice 3 1 (Oral CCP) Soit f définie sur R par f (x) = 0 |x − t| dt, pour u0 ∈ ]0, 1[, on définit la suite (un )n∈N par un+1 = f (un ). 1 1. Montrer que pour x ∈ [0, 1], on a f (x) = x2 − x + . Déterminer f (x) pour x < 0 puis pour x > 1. 2 2. La fonction f est-elle dérivable sur R, de classe C 1 , de classe C 2 ? Calculer f ′ (x) sur I est majorer |f ′ | sur 1 1 I= , . 4 2 3. Montrer que ∀n 1, un ∈ I, puisque (un )n∈N converge vers une limite ℓ que l’on précisera. 4. Que se passe-t-il si u0 > 1 ? Solution : —6/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles 1 x 1 (t − x) dt = x2 − x + . Pour x < 0, on a f (x) = 2 0 x 1 1 1 − x et pour x > 1, f (x) = (x − t) dt = x − . Pour résumer 2 2 0 1 −x 2 x<0 1 x ∈ [0, 1] f (x) = x2 − x + 2 x>1 1 x− 2 1. Pour x ∈ [0, 1], on a f (x) = (x − t) dt + x−1 2. Dans l’intégrale qui définit f (x) , on pose u = x − t, ainsi f (x) = − 0 (t − x) dt = x |u| du = x 1 x−1 |u| du, puisque u −→ |u| est C 0 sur R et que les fonctions α (x) = x et β (x) = x + 1, on en déduit que f est dérivable sur R de dérivée égale à f ′ (x) = |x| − |x − 1| en particulier f est de classe C 1 . Mais pas de classe C 2 . Sur I, on a f ′ (x) = 2x − 1 =⇒ |f ′ (x)| 1 2 1 2 2 1 1 + , c’est une parabole symétrique par rapport à x = 12 , le minimum est en x = 4 2 1 1 et vaut , le maximum en x = 0 ou x = 1 et vaut . Par récurrence, on montre que un ∈ I. C’est vrai au rang n = 1 4 2 et si un ∈ I ⊂ [0, 1] alors un+1 ∈ I. 1 Puisque |f ′ | sur I, par le TAF (f est C 1 sur I), on peut affirmer que f est 12 -lipschitzienne sur I. Soit ℓ ∈ I tel 2 1 1 que ℓ = f (ℓ) ⇐⇒ ℓ2 − ℓ + = ℓ ⇐⇒ ℓ = 1 − √ alors 2 2 3. Sur [0, 1] , on a f (x)= x − |un+1 − ℓ| = |f (un ) − f (ℓ)| et par récurrence |un − ℓ| 1 |un − ℓ| 2 1 |u1 − ℓ| −−−−−→ 0 =⇒ un −−−−−→ ℓ n→+∞ n→+∞ 2n−1 1 1 n 4. Si u0 > 1, alors u1 = u0 − , et par récurrence limité tant que un > 1, on a un+1 = un − = u0 − . Puisque 2 2 2 n u0 − −−−−−→ +∞, il existe N tel que 2 n→+∞ 0 u0 − N 1 < ⇐⇒ N 2 2 2u0 < N + 1 il suffit de prendre N = E (2u0 ). A partir du rang N, on est ramené au cas précédent. Conlusion un −−−−−→ ℓ. n→+∞ Si u0 < 0, alors u1 > 0 et on est ramené au cas précédent. Exercice type 10 Soit f définie sur R par f (x) = sin x si x = 0 et f (0) = 1, montrer que f est C 1 sur R. sh x sin x −−−→ 1, ainsi f est continue en 0. Elle est C 1 sur R∗ en tant sh x x→0 cos x sh x − ch x sin x . On fait un DL3 que quotient de fonctions C 1 (et car sh x = 0 sur R∗ ). Pour x = 0, on a f ′ (x) = sh2 x Solution : Puisque sin x ∼ x et sh x ∼ x, on a x→0 x→0 —7/8— G H PCSI 2 2013-2014 Préparation des Khôlles du numérateur, on a cos x = 1 − x2 2 + o x3 , sh x = x + ch x = 1 + x2 2 + o x3 , sin x = x − x→0 x→0 x3 6 + o x3 =⇒ cos x sh x = 1 − x2 2 × x+ x3 6 + o x3 = x − x3 3 + o x3 + o x3 =⇒ ch x sin x = 1 + x2 2 × x− x3 6 + o x3 = x + x3 3 + o x3 x3 6 x→0 2 Ainsi cos x sh x − ch x sin x = − x3 + o x3 x→0 3 x→0 x→0 x→0 x→0 x→0 2 ∼ − x3 et sh2 x ∼ x2 d’où x→0 x→0 3 2 f ′ (x) ∼ − x −−−→ 0 x→0 3 x→0 D’après le théorème limite de la dérivée f est continue sur R, C 1 sur R∗ , f ′ (x) −−−→ 0 =⇒ f est C 1 sur R avec f ′ (0) = 0 x→0 Exercice 4 On pose, pour t réel h(t) = t2 − t et on définit la fonction ϕ sur [0, π] par : 2π ϕ(0) = −1 et ϕ(t) = h(t) 2 sin 2t pour t ∈ ]0, π] . Montrer que la fonction ϕ est de classe C 1 sur l’intervalle [0, π]. Solution : On commence par la continuité, ϕ est continue sur ]0, π] et même C 1 (quotient de fonctions continues). On −t h(t) a h (t) ∼ + −t d’où 2 sin −−−→ ϕ (0). La fonction ϕ est continue en ∼ t = −1 = ϕ (0). Ceci prouve que ϕ (t) − ( 2t ) t→0+ t→0 t→0+ 2× 2 0. Pour t ∈ ]0, π] on a t h (t) cos ′ (t) h 1 2 = ϕ′ (t) = − 2 sin 2t 4 sin2 2t 4 sin2 t 2 2t − 2 sin π t 2 − t2 − t cos 2π − t2 t2 − t × 1 − + o t2 2π 8 t→0 t 2 On a 2t − 2 sin π t 2 t2 t − t cos 2π 2 − = 2t −2 × π = t2 + o t2 2π t→0 On en déduit que ϕ′ (t) ∼ + t→0 0 t + o t2 2 t→0 t2 ∼ t→0 2π 1 t2 1 1 × = =⇒ ϕ′ (t) −−−−→ 2 + t 2π 2π 2π t→0 1 Puisque ϕ est C sur [0, π], C sur ]0, π] et que ϕ′ a une limite en 0+ , le théorème limite de la dérivée assure que ϕ est C 1 1 sur [0, π] avec ϕ′ (0) = . 2π —8/8— G H