59 Exemple 89. La fonction f : x → x 2 est deux fois dérivable sur R

59
Exemple 89. La fonction f:x�→ x2est deux fois dérivable sur R, et a pour dérivée et dérivée
seconde sur R:
f(x) = 2x et f ��(x) = 2
Puisque sa dérivée seconde est positive sur R, la fonction fest convexe sur R.
En un point x0où la dérivée seconde f�� d’une fonction fchange de signe, le graphe de cette
fonction traverse sa tangente. Par exemple si f�� est positive avant x0alors fest convexe avant x0
et donc son graphe est au-dessus de ses tangentes, et si f�� est négative après x0alors fest concave
après x0et son graphe est au-dessous de ses tangentes : dans ce cas, le graphe de fest au-dessus de sa
tangente au point (x0, f(x0)) avant x0et au-dessous après, donc il "traverse" sa tangente en ce point.
On donne un nom particulier à ce type de points :
nition 51. Soit fune fonction deux fois dérivable sur un intervalle I, un point x0de Iest
appelé point d’inexion de fsi sa dérivée seconde f�� change de signe au point x0.
Exemple 90. Si on considère la fonction sinus sin : x�→ sin(x) alors elle est deux fois dérivable sur
[0,2π] et sa dérivée seconde est sin��(x) = sin(x) qui change de signe en π: sur [0,π] la dérivée
seconde sin est négative et donc sin est concave, et sur [π,2π] cette dérivée seconde est positive et
donc sin est convexe. Au point x0=π, la tangente de sin est y= (1) (xπ) + 0 et le graphe de
sin passe donc de au-dessous de sa tangente à au-dessus :
x
y
y= sin(x)
y=πx
4.6.5 Tracé du graphe d’une fonction
En vue de tracer le graphe d’une fonction numérique f, on procède selon les étapes suivantes :
on détermine le domaine de dénition de f;
on calcule les limites de faux bords de son domaine de dénition ;
on étudie les asymptotes éventuelles de fen −∞ et +;
on calcule la dérivée fet on donne le tableau de variations de f, en faisant apparaitre les
extrema (locaux et/ou globaux) ;
on calcule la dérivée seconde f��, on étudie son signe pour déterminer les intervalles sur lesquels
fest convexe ou concave, et on trouve les points d’inexion.
— enn pour tracer le graphe de fon reporte les asymptotes, les directions asymptotiques, les tan-
gentes horizontales aux points où fatteint un extremum et les tangentes aux points d’inexion :
on a alors susamment d’indications pour tracer l’allure du graphe.
60
On traitera de manière étendue en cours le cas de la fonction Gaussienne f:x�→ ex2, pour
obtenir le graphe suivant :
x
y
y=ex2
61
5 Intégrale et primitive
5.1 Intégrale d’une fonction continue
Soit aet bdeux nombres réels tels que a < b, et soit fune fonction continue sur le segment [a, b],
le graphe de f, l’axe des abscisses et les droites verticales x=aet x=bdélimitent une région du plan
(qui peut être en plusieurs morceaux si fs’annule), représentée en gris dans l’exemple ci-dessous :
x
y
y=f(x)
ab
On peut associer à cette région du plan comprise entre le graphe de fet l’axe des abscisses son
aire signée : on dit signée parcequ’on compte en positif l’aire de la zone qui se trouve au-dessus de
l’axe des abscisses, et en négatif la partie qui se trouve au-dessous.
Exemple 91. On considère par exemple le cas a=1, b= 2 et f(x) = x. L’aire signée de la partie
du plan comprise entre le graphe de f(x) = xet l’axe des abscisses sur [1,2] vaut alors 3
2:
y=x
x
yl’aire du petit triangle sous l’axe des abscisses est
égale à 1
2, elle est comptée pour 1
2, et l’aire du
grand triangle au-dessus de l’axe des abscisses est
égale à 2, elle est comptée pour +2. L’aire signée
vaut donc 1
2+ 2 = 3
2.
Comme on va le voir, cette aire signée a une grande importance en mathématiques, c’est pour
cette raison qu’on introduit la notion suivante :
nition 52. Soit aet bdeux nombres réels tels que a < b et soit fune fonction continue sur le
segment [a, b], on appelle intégrale de fsur le segment [a, b]l’aire signée de la partie du plan qui
se trouve entre le graphe de la fonction fsur [a, b]et l’axe des abscisses. On note ce nombre b
a
f(t)dt.
Remarque 40. Par convention on pose a
a
f(t)dt = 0, et si a<balors la notation a
b
f(t)dt désigne
le nombre b
a
f(t)dt.
62
On déduit les propriétés suivantes de la dénition l’intégrale en terme d’aire signée :
5.1. Propriété – Intégrale 1.
Soit a < b et soit fune fonction continue sur le segment [a, b], alors :
Relation de Chasles : pour tout c[a, b] on a
b
a
f(t)dt =c
a
f(t)dt +b
c
f(t)dt
Intégrale d’une constante : si αest un nombre réel xé et f(x) = α
pour tout x[a, b] alors
b
a
f(t)dt =b
a
αdt =α(ba)
Si gest continue sur [a, b] et f(x)g(x) pour tout xdans [a, b] alors
b
a
f(t)dt b
a
g(t)dt
En particulier, si met Msont deux constantes telles que mf(x)M
pour tout x[a, b] alors
m1
bab
a
f(t)dt M
Le nombre 1
bab
a
f(t)dt est appelé valeur moyenne de fsur [a, b].
Lien avec la parité : on suppose a0, si fest une fonction paire sur
[a, a] alors
a
a
f(t)dt = 2 a
0
f(t)dt
et si fest impaire sur [a, a] alors a
a
f(t)dt = 0.
Exemple 92. Si on reprend l’exemple 91, comme f(x) = xalors on a 1f(x)2 pour tout xdans
[1,2] et on voit que la valeur moyenne de fsur [1,2], qui vaut 1
2(1) 2
1
f(t)dt =1
3×3
2=1
2
est bien entre 1 et 2.
Une autre manière de dénir l’intégrale de fsur [a, b] est la suivante : on associe à la fonction f
la suite (In)n1de terme général
In=ba
n
n1
k=0
fa+kba
n
Géométriquement, Inest la somme des aires des nrectangles construits à partir de fde la manière
suivante :
63
x
y
y=f(x)
ab
Exemple 93. Si on reprend à nouveau l’exemple 91 on a alors ba= 2 (1) = 3 et on peut
calculer
I1=3
1f1+0×3
1= 3f(1) = 3 ×(1) = 3
I2=3
2f1+0×3
2+3
2f1+1×3
2=3
2f(1) + 3
2f1
2=3
4
I3=3
3f1+0×3
3+3
3f1+1×3
3+3
3f1+2×3
3
=f(1)+f(0) + f(1) = 0
In=3
n
n1
k=0
f1+k3
n=3
n
n1
k=0 1+k3
n
=3
nn1
k=0
(1) + 3
n
n1
k=0
k=3
nn+3
n
(n1)n
2=3
29
2n
Dans ce cas la suite (In)n1est la suite de terme général In=3
29
2n.
On peut démontrer que la suite (In)n1ainsi dénie est toujours convergente, et plus précisément
que sa limite est l’aire signée de la partie du plan qui se trouve entre le graphe de la fonction fsur
[a, b] et l’axe des abscisses : c’est donc l’intégrale de fsur [a, b]. On a alors la propriété :
5.2. Propriété – Intégrale 2.
Soit a < b et soit fune fonction continue sur le segment [a, b], alors :
b
a
f(t)dt = lim
n+
ba
n
n1
k=0
fa+kba
n
Exemple 94. On reprend l’exemple 91 : dans ce cas, puisque la suite (In)n1est la suite de terme
général In=3
29
2non voit que sa limite est bien 3
2, qui est eectivement l’aire signée de la partie du
plan comprise entre le graphe de f(x) = xet l’axe des abscisses sur [1,2].
1 / 5 100%
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 !