Fonctions d'une variable réelle (M-1.1)
I. Fonctions définies par morceaux
Définition des fonctions en escalier : une fonction en escalier est une fonction constante par intervalles. Sa représentation
graphique est constituée de segments parallèles à l'axe des abscisses.
Exemples :
Soit
f
la fonction définie sur
[
1;+∞
[
par :
f
(
t
)
=1
si
1t<3
et
f
(
t
)
=2
sinon
Soit E la fonction partie entière définie sur
par :
pour tout
n
, si
alors
E
(
x
)
=n
On peut retenir : «
E
(
x
)
est le plus grand entier inférieur
ou égal à
x
. »
Soit g la fonction définie sur
par
g
(
x
)
=
(
1
)
E
(
x
)
Remarque : les fonctions en escalier peuvent présenter des points de discontinuité aux bords des intervalles.
Définition des fonctions affines par morceaux : une fonction affine par morceaux est affine par intervalles. Sa
représentation graphique est constituée de segments.
Exemples :
Soit
f
la fonction définie sur
[
1;6
]
par :
f
(
t
)
=t+4
si
1t3
f
(
t
)
=2t5
si
3<t4
f
(
t
)
=1
2t+3
si
4<t6
Remarque : la fonction
f
présente une discontinuité en
t=…
Soit
g
la fonction définie sur
par :
g
(
x
)
=
(
1
)
E
(
x
)(
xE
(
x
)
0,5
)
Remarque : la fonction
g
est continue sur
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II. Fonctions exponentielle et logarithme népérien
Fonction exponentielle Fonction logarithme népérien
La fonction exponentielle, notée exp,
est l'unique solution de l'équation
différentielle sur
avec
condition initiale :
{
y' =y
y
(
0
)
=1
Conséquence pour tout réel
x
,
exp'
(
x
)
=... et exp(0)=...
La fonction logarithme népérien, notée ln, est
la fonction qui à tout nombre réel strictement
positif
x
fait correspondre l'antécédent de
x
par la fonction exp.
Conséquence : pour tout réel
x>0
:
ln
(
x
)
=yx=ey
Exponentielle d'une somme : pour tous réels
a
et
b
on a :
exp(a+b)=exp(a)
×
exp(b)
On note
e
le nombre d'Euler défini par : exp(1)=
e
Ainsi pour tout entier relatif
n
, exp(n)=
en
En étendant cette notation :
ea+b=ea×eb
Signe d'une exponentielle : pour tout réel
a
,
ea
>0
ea=1
ea
en×a=
(
ea
)
n
eab=ea
eb
e
a
2=
ea
Pour tout réel
x
,
ln
(
ex
)
=x
Pour tour réel
x>0
,
eln
(
x
)
=x
En particulier,
ln
(
1
)
=0
et
ln
(
e
)
=1
Logarithme népérien d'un produit : pour tour réels
a>0
et
b>0
,
ln
(
a×b
)
=ln
(
a
)
+ln
(
b
)
ln
(
1
a
)
=ln
(
a
)
ln
(
an
)
=nln
(
a
)
ln
(
a
b
)
=ln
(
a
)
ln
(
b
)
ln
(
a
)
=1
2ln
(
a
)
Dérivée de exp : pour tout réel
x
,
(
ex
)
'=ex
Dérivée d'une fonction composée de exp : soit
u
une
fonction dérivable sur un intervalle I, alors la fonction
x
eu
(
x
)
est dérivable sur l'intervalle I et pour tout réel
xI
,
(
eu
(
x
)
)
'=u'
(
x
)
×eu
(
x
)
Exemples :
(
e2x+3
)
'=
(
ex2
)
'=
Dérivée de ln : pour tout réel
x>0
,
ln '
(
x
)
=1
x
Dérivée d'une fonction composée de ln : soit
u
une
fonction dérivable sur un intervalle I telle que pour tout
xI
,
u
(
x
)
>0
alors la fonction x
ln
(
u
(
x
)
)
est
dérivable sur l'intervalle I et
(
ln
(
u
(
x
)
)
)
'=u'
(
x
)
u
(
x
)
Exemples :
ln
(
2x+3
)
est dérivable pour ...
et
(
ln
(
2x+3
)
)
'=
ln
(
x2+1
)
'=
La fonction exp est strictement croissante sur
donc pour
tous réels a et b,
ea=eba=b
et
ea<eba<b
Limites de exp :
lim
x−∞
ex=0+
et
lim
x+∞
ex=+
La fonction ln est strictement croissante sur
+* donc
pour tous réels
a>0
et
b>0
,
ln
(
a
)
=ln
(
b
)
a=b
et
ln
(
a
)
<ln
(
b
)
a<b
Limites de ln :
lim
x0+
ln
(
x
)
=
et
lim
x+∞
ln
(
x
)
=+
x– ∞ + ∞
exp '(x) +
exp(x) 0
+ ∞
x0 + ∞
ln '(x) +
ln – ∞
+ ∞
III. Fonctions puissances d'exposant réel
Soient
a
un réel strictement positif et
n
un entier naturel :
an=
(
eln
(
a
)
)
n=enln
(
a
)
En étendant cette notation pour
b
un réel quelconque on a,
ab=ebln
(
a
)
Définition : soit
α
un nombre réel, la fonction puissance
α
est la fonction définie sur
+
* par :
x
xα
Exemple: la fonction puissance
1
2
est la fonction ...
La fonction puissance 0 est ...
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Théorème : soit
α
alors pour tout réel
x>0
, on a :
(
xα
)
'=α xα−1
Démonstration :
(
xα
)
'=
(
eαln
(
x
)
)
'=
Corollaire : soit
α
et
u
une fonction dérivable sur un intervalle I telle que pour tout réel
xI
,
u
(
x
)
>0
Alors la fonction
x
(
u
(
x
)
)
α
est dérivable sur l'intervalle I et pour tout x
I, on a :
(
(
u
(
x
)
)
α
)
'u'
(
x
)
(
u
(
x
)
)
α1
Sens de variation et limites d'une fonction puissance :
Si
α<0
Si
α>0
La fonction puissance
α
est strictement décroissante sur
l'intervalle
+
*
De plus :
lim
x0+
xα=+
et
La fonction puissance
α
est strictement croissante sur
l'intervalle
+
*
De plus :
lim
x0+
xα=0+
et
lim
x+∞
xα=+
x0 + ∞
(
xα
)
'
xα
+ ∞
0+
x0 + ∞
(
xα
)
'
+
xα
0+
+∞
Croissances comparées au voisinage de +
:
Soit
α>0
, alors
lim
x+∞
ex
xα=+
et
lim
x+∞
xα
ln
(
x
)
=+
Remarque : on retenir "en +
l'exponentielle l'emporte sur les puissances" et " en +
les puissances l'emportent sur le
logarithme népérien"
Exemples :
ex
vs
x3
x0,5
vs
ln
(
x
)
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IV. Fonctions circulaires
Dans un repère orthonormé direct
(
O;
i;
j
)
, on considère le cercle trigonométrique de centre
O et de rayon 1 noté U et le point A(1;0). À tout réel
t
, on fait correspondre le point M du
cercle U tel que :
(
OA;
OM
)
=t
rad
Alors le point M a pour coordonnées
M
(
cos
(
t
)
; sin
(
t
)
)
Exemples : cos(0)=... et sin(0)=...
cos
(
π
2
)
=
... et
sin
(
π
2
)
=
Valeurs remarquables des fonctions trigonométriques
Représentations graphiques des fonctions trigonométriques :
Périodicité des fonctions trigonométriques :
Les fonction sinus et cosinus sont
2π
_périodiques : pour tout réel
t
,
cos
(
t+2π
)
=cos
(
t
)
et
sin
(
t+2π
)
=sin
(
t
)
Remarque : soit
φ
un réel fixé, les fonctions
t
cos
(
t+φ
)
et
t
sin
(
t+φ
)
ont pour période ...
Les fonctions
t
cos
(
2πt+φ
)
et
t
sin
(
2πt+φ
)
ont pour période ...
Soit
T>0
, les fonctions
t
cos
(
2π
Tt+φ
)
et
t
sin
(
2π
Tt+φ
)
ont pour période ...
Le nombre
2π
t=ω
est appelé pulsation.
Parité des fonctions trigonométriques :
La fonction cosinus est paire : pour tout réel
t
,
cos
(
t
)
=cos
(
t
)
La représentation graphique de la fonction cosinus est donc symétrique par rapport ...
La fonction sinus est impaire : pour tout réel
t
,
sin
(
t
)
=sin
(
t
)
La représentation graphique de la fonction sinus est donc symétrique par rapport ...
Dérivées et sens de variations des fonctions trigonométriques :
Cosinus Sinus
Pour tout réel
t
,
cos'
(
t
)
=sin
(
t
)
Pour tout réel
t
,
sin '
(
t
)
=cos
(
t
)
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Remarques :
cos'
(
t
)
=cos
(
t+π
2
)
Remarques :
sin '
(
t
)
=sin
(
t+π
2
)
Exemple pour la tangente à la courbe représentative de la
fonction cosinus au point d'abscisse ...
Pour tout réel
t,
cos' '
(
t
)
=
(
sin
(
t
)
)
'=cos
(
t
)
Exemple pour la tangente à la courbe représentative de la
fonction sinus au point d'abscisse ...
Pour tout réel
t
,
sin' '
(
t
)
=
(
cos
(
t
)
)
'=sin
(
t
)
t0
cos'
(
t
)
=sin
(
t
)
cos
1
–1
t0
π
2
sin '
(
t
)
=cos
(
t
)
+ 0 –
sin
0
1
0
Soient deux réels
a
et
b
alors pour tout réel
t
,
(
cos
(
at+b
)
)
'=a×sin
(
at+b
)
Soient deux réels
a
et
b
alors pour tout réel
t
,
(
sin
(
at+b
)
)
'=a×cos
(
at +b
)
La fonction tangente :
Pour tout réel
tπ
2+kπ
avec k
tan
(
t
)
=tan
(
t
)
,
tan
(
t
)
=sin
(
t
)
cos
(
t
)
La fonction tangente est
π
_périodique :
tan
(
t+π
)
=tan
(
t
)
La fonction tangente est impaire :
tan
(
t
)
=tan
(
t
)
Pour tout réel
tπ
2+kπ
avec k
,
tan '
(
t
)
=1
cos2
(
t
)
=1+tan2
(
t
)
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