Chapitre 20
RIVATION
Enoncé des exercices
1Les basiques
Exercice 20.1 Simplifier la dérivée de f(x) = sin xtan x+ 2 cos x2
Exercice 20.2 Soit f(x) = 1ch x
xsi x= 0, peut-on prolonger fen une fonction continue sur R. Le prolongement
obtenu est-il dérivable sur R?
Exercice 20.3 Soit f(x) = x
x
, peut on prolonger fsur R
+
,le prolongement est-il dérivable sur R
+
?
Exercice 20.4 Etudier la dérivabilité de f(x) = sin xsin 1
xsi x= 0 et f(0) = 0
Exercice 20.5 Déterminer apour que la fonction fdéfinie par f(x) = xsi 0x1et f(x) = ax
2
+ 1 si x > 1
soit dérivable sur R
+
.
Même question avec f(x) = ax
2
+bx + 1 si x > 1.
Exercice 20.6 Simplifier f(x) = 2 arctan
1x
x
+ arcsin (2x1) (Déterminer D
f
, D
f
et calculer f
(x))
Exercice 20.7 Calculer la dérivée énième de la fonction fdéfinie par f(x) = x
2
+x+ 1e
x
Exercice 20.8 On considère la suite (u
n
)
n
définie par u
0
0,
4
3
et nN, u
n+1
=
1
3
4u
2
n
Justifier rapidement que nN, u
n
0,
4
3
A l’aide de l’inégalité des accroissements finis, montrer que (u
n
)
n
converge vers 1.
Exercice 20.9 Calculer la dérivée énième de 1
n!x
n
(1 + x
n
).
Exercice 20.10 Soit fdéfinie sur Rpar
xR,f(x) = ln 1 + x
2
ln (x)
(x1)
Peut-on prolonger fen une fonction continue sur l’intervalle [0,+[? Le prolongement obtenu est-il dérivable en
x= 0 ?
Exercice 20.11 Soit PR[X],on définit fpar f(x) = P1
1xe
1
1x
, montrer que f
(x) = Q1
1xe
1
1x
QR[X]. Quelle relation existe-t-il entre Pet Q? (voir aussi l’exercice 20.28)
2. LES TECHNIQUES CHAPITRE 20. DÉRIVATION
Exercice 20.12 Soient fet gfinies par f(x) = cos xet g(x) = xsin x, montrer que lorsque les courbes représen-
tatives de fet de gse coupents les tangentes au point d’intersection sont perpendiculaires.
Exercice 20.13 Soit h:RRdéfinie par xR,h(x) = (xE(x)), etudier la dérivabilité de gfinie sur R
par g(x) = h(x) (h(x)1).
2Les techniques
Exercice 20.14 Soit f(x) = x
2
sin 1
x. Peut-on prolonger fen une fonction continue sur R?
Le prolongement est-il dérivable sur R? Si oui, donner l’expression de la dérivée et préciser s’il est de classe C
1
sur R
(i.e. la dérivée est-elle continue sur R?)
Exercice 20.15 La fonction fdéfinie par f(x) = cos (x)est-elle dérivable en x= 0 ? Si oui, est-elle de classe C
1
?
Exercice 20.16 Soit fdéfinie par f(x) = arctan 1 + 1
x
2
et f(0) = π
2,fest-elle C
1
sur R?
Exercice 20.17 Calculer la dérivée énième de f(x) = x
n
(1 + x)
n
.
En considérant le coefficient de x
n
,en déduire une expression simple de
n
k=0
C
k
n
2
et montrer que
n
k=0
2
k
C
k
n
2
=
n
k=0
C
k
n
C
k
n+k
Exercice 20.18 Soit fcontinue et dérivable sur R
+
telle que f(0) = f
(0) = 0.
1. On définit ϕpar ϕ(0) = 0 et ϕ(x) = f(x)
xsi x= 0.Etudier la continuité de ϕsur R
+
.
2. On suppose qu’il existe a > 0tel que f(a) = 0. Montrer qu’il existe c > 0tel que la tangente au point d’abscisse
cpasse par l’origine du repère.
3. Question (): Montrer le même résultat si on remplace l’hypothèse a > 0, f (a) = 0 par f(1) = 1
f
(1) = 0
Exercice 20.19 On considère la fonction f(x) = 1
1 + x
2
, cette fonction est clairement de classe C
sur R.
1. Montrer par récurrence qu’il existe un polynôme P
n
(X)tel que,
xR, f
(n)
(x) = P
n
(x)
(1 + x
2
)
n+1
et que
P
n+1
(x) = 1 + x
2
P
n
(x)2 (n+ 1) x P
n
(x)
2. En dérivant f, on constate que xR,1 + x
2
f
(x) + 2xf(x) = 0. En utilisant la formule de Leibniz sur cette
égalité que l’on dérivera nfois, établir que
P
n+1
(x) + 2 (n+ 1) x P
n
(x) + n(n+ 1) 1 + x
2
P
n1
(x) = 0
En déduire que
P
n
(x) = n(n+ 1) P
n1
(x)
Exercice 20.20 Soit α]0,1[, pour tout entier n > 0,on pose u
n
=
n
k=1
1
k
α
—2/19
G´
 H - E M -() 2009
CHAPITRE 20. DÉRIVATION 2. LES TECHNIQUES
1. A l’aide de l’inégalité des accroissements finis, prouver que
kN
,1α
(k+ 1)
α
(k+ 1)
1α
k
1α
1α
k
α
2. En déduire un encadrement de 1
k
α
pour k2
3. En déduire un encadrement de u
n
puis un équivalent.
4. Application : donner un équivalent de 1 +
1
2
+
1
3
+... +
1
n
quand ntend vers +.
Exercice 20.21 Calcul de
n
k=0
kn
ka
k
b
nk
1. Soit αR, calculer la dérivée k-ième de f
α
(x) = xe
αx
.
2. Soient (a, b)R
2
,en écrivant que f
a+b
(x) = f
a
(x)e
bx
exprimer f
(n)
a+b
(x)en fonction des dérie k-ième de f
a
.
3. En déduire la valeur de
n
k=0
kn
ka
k
b
nk
Exercice 20.22 Soit f: [a, b]Rune fonction continue et strictement positive, dérivable sur ]a, b[.Montrer qu’il
existe c]a, b[tel que
f(b)
f(a)=e
(ba)
f(c)
f(c)
Peut-on remplacer l’hypothèse positive sur [a, b]par non nulle sur [a, b]?
Exercice 20.23 Trouver toutes les fonctions dérivables en 0et telles que
(x, y)R
2
,f(x+y) = f(x) + f(y) + 2xy
Exercice 20.24 Soit f(x) = (x1)
1
x1
, peut on prolonger fen une fonction continue sur R? Le prolongement
obtenu est-il dérivable en x= 1 ?
Question ++ : La dérivée obtenue est-elle continue en x= 1 ?
Exercice 20.25 Soit fde classe C
1
sur [a, b]à valeurs dans Rtelle que f
(b) (f(b)f(a)) <0. Montrer que f
s’annule sur ]a, b[.
Exercice 20.26 Soit fdérivable sur [a, +[telle que f
(x)
x+
0,montrer que f(x)
x
x+
0.
Exercice 20.27 On suppose connu l’existence (et l’unicité) d’un polynôme T
n
tel que θR,T
n
(cos θ) = cos ().
Montrer que T
n
est solution de l’équation différentielle
x
2
1y
′′
+xy
=n
2
y
Exercice 20.28 Soit fla fonction définie sur Ipar f(x) = 1
1xe
1
1x
.
1. Prouver par récurrence que, pour tout entier naturel n, il existe un polynôme P
n
tel que :
f
(n)
(x) = P
n
1
1xe
1
1x
pour tout réel xappartenant à I.
La démonstration permet d’exprimer P
n+1
(X)en fonction de P
n
(X), P
n
(X)et X. Expliciter cette relation.
2. Préciser P
0
, P
1
, P
2
et P
3
.
3. En dérivant nfois les deux membres de l’équation (E),prouver que pour tout entier positif n:
P
n+1
(X) = (2n+ 1) X+X
2
P
n
(X)n
2
X
2
P
n1
(X)
—3/19
G´
 H - E M -() 2009
3. LES EXOTIQUES CHAPITRE 20. DÉRIVATION
Exercice 20.29 Soit PR[X]scindé à racines simples. Montrer que Pne peut avoir deux coefficients consécutifs
nuls (de degré inférieur au degré de P).
Exercice 20.30
1. Soit ϕfinie au voisinage de 0telle que ϕ(x)
x0
0,montrer
ε > 0,NN,nN=
n
k=0
k
n
2
ϕk
n
2
ε
Que peut-on en déduire ?
2. Soit f: [0,1] Rdérivable en 0, étudier la suite (u
n
)définie par
u
n
=
n
k=0
fk
n
2
3Les exotiques
Exercice 20.31 Soient (a, b)R
2
et n2.Montrer que le polynôme X
n
+aX +badmet au plus trois racines réelles
distinctes.
Exercice 20.32 Soit f(x) = tan x, à l’aide la relation f
= 1 + f
2
et de la formule de Leibniz, déterminer un
algorithme de calcul de a
n
=f
(n)
(0)
n!.
Exercice 20.33 Soient a < b et f: [a, b]Rune fonction continue sur [a, b],dérivable sur ]a, b[.Montrer qu’il
existe c]a, b[tel que 1
ac< f
(c)<1
bc
On utilisera la fonction F(x) = (xa) (xb) exp (f(x)).
4Les olympiques
Exercice 20.34 Soit f: [a, b]R, de classe C
2
sur [a, b]et 3fois dérivables sur ]a, b[. Montrer qu’il existe c]a, b[
tel que
f(b) = f(a) + ba
2(f
(a) + f
(b)) (ba)
3
12 f
(3)
(c)
En déduire que x0,
1
3
,0arctan (x)
x
2
2+x
2
1+x
2
x
3
6
Indication : utiliser φ(t) = f(t)f(a)
ta
2
(f
(a) + f
(t)) +
(ta)
3
12
KKest à choisir.
Exercice 20.35 Résoudre l’équation
5
x
+ 2
x
= 4
x
+ 3
x
xR
+
Exercice 20.36 Soit f∈ C
2
(R)telle que (x, y)R
2
,f(x+y)f(xy)f(x)
2
.Montrer que xR,f(x)f
′′
(x)
f
(x)
2
—4/19
G´
 H - E M -() 2009
Chapitre 20
RIVATION
Solution des exercices
1Les basiques
Exercice 20.1 Très simple, la fonction est définie et dérivable sur Rprivé des k
π
2
kZet
f
(x) = cos xtan x+sin x
cos
2
x2 sin x=sin x
cos
2
xsin x= sin x1
cos
2
x1
=sin
3
x
cos
2
x
Exercice 20.2 La fonction fest continue et dérivable sur R
d’après les théorèmes généraux. Le seul problème est en
x= 0. On a f(x)
x0
x
2
2
x=x
2
x0
0, ainsi f(x)
x0
0. On pose f(0) = 0,le prolongement est alors continue
en x= 0. On regarde alors le taux d’accroissement f(x)f(0)
x0=1ch x
x
x0
1
2. Le prolongement obtenu est
donc dérivable en 0et ainsi sur R.
Exercice 20.3 On a f(x) = e
xln x
,on sait (croissance comparées) que xln x
x0
0, ainsi par continuité de l’expo-
nentielle en x= 0,on a e
xln x
x0
e
0
= 1. On pose donc f(0) = 1 pour obtenir une fonction continue sur R
+
(la
continuité sur R
+
coule des théorèmes généraux).On considère ensuite f(x)f(0)
x0=e
xln x
1
x.De e
u
1
u0
u
et de u=xln x
x0
,on déduit que e
xln x
1
x
x0
xln x
x= ln x
x0
−∞. Le prolongement n’est pas dérivable en 0,
il admet cependant une tangente verticale.
Exercice 20.4 On a sin x
x0
0et sin 1
xest bornée donc f(x)
x0
0. La fonction fest donc continue (ce qui est
une condition nécessaire). Puis f(x)f(0)
x0=sin x
xsin 1
x. Puisque sin x
xa une limite finie et non nulle, si fest
dérivable en 0,on en déduit que sin 1
x=1
sin x
x
×f(x)f(0)
x0a aussi une limite, ce qui est absurde. La fonction
n’est donc pas dérivable.
Exercice 20.5 Il est clair que fest continue sur ]0,1[ ]1,+[. Examinons la dérivabilité en x= 1. Une condition
cessaire est que fsoit continue en 1. On a f(1) = 1par définition et lim
x1
f(x) = lim
x1
x=1 = 1 et
lim
x1
+
f(x) = lim
x1
+
ax
2
+ 1 = a+ 1. Pour que fsoit continue en x= 1,il faut et il suffit que a= 0.
Dans ce cas f(x) = 1 si x > 1et ainsi fest dérivable à droite en 1avec f
d
(1) = 0. Mais sur [0,1] ,on a f(x) = x
1 / 19 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !