1 définitions de la dérivabilité 2 calculs de dérivées successives

Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI DÉRIVABILITÉ
1 DÉFINITIONS DE LA DÉRIVABILITÉ
1Étudier la dérivabilité sur Rde :
1) x7−(x1)2si x1
(x1)3si x>1.
2) x7−x2+x+1 si x¾1
ax3+bx +2 si x<1(a,bR).
3) x7−ch pxsi x¾0
cos pxsi x<0.
4) x7−|x|
1+x21.
————————————–
2Montrer que la dérivée d’une fonction dérivable
paire (resp. impaire, resp. périodique) est impaire (resp.
paire, resp. périodique).
————————————–
3Soient aRet f:RRdérivable en a. Que
vaut : lim
h0
f(a+h)fa+h2
h?
————————————–
4Soient Iun intervalle, f:IR,m:IRet
M:IRtrois fonctions et aI. On suppose que :
m(x)f(x)M(x)au voisinage de a,
m(a) = f(a) = M(a),
met Msont dérivables en aet : m(a) = M(a).
Montrer que fest dérivable en aet interpréter graphi-
quement.
————————————–
5Soit f∈ D[a,b],Rtelle que : f(a) = f(b)
et f(a)>0. Montrer qu’alors fprend au moins
une valeur strictement négative sur [a,b].
————————————–
6Soient Iun intervalle, f∈ D(I,R)et aI. On
suppose que : f(a)6=0 et que fest continue en
a. Montrer que fest injective au voisinage de a.
————————————–
71) Soit f∈ C1(R,R). On suppose que pour tout
xR:ff(x) = x
4+1.
a) Montrer que pour tout xR:
f(x) = fx
4+1.
b) En déduire que pour tous xRet nN:
f(x) = fx
4n+
n1
X
k=0
1
4k.
c) En déduire que fest constante sur R.
2) Déterminer toutes les fonctions f∈ C1(R,R)
telles que pour tout xR:ff(x) = x
4+1.
————————————–
2 CALCULS DE DÉRIVÉES SUCCESSIVES
8Calculer les dérivées successives de :
1) x7−xα(αR). 2) x7−ax(a>0).
3) sin et cos. 4) x7−1
x+a(aR).
5) x7−1+x
1x.6) x7−ln(32x).
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9Calculer les dérivées successives de :
1) x7−xex.2) x7−e2xsin x.
3) x7−x2sin x.4) x7−1
x21.
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10 On note fla fonction x7−exp3sin xsur R.
1) Montrer que pour tous nNet xR:
f(n)(x) = 2nexp3sinx+nπ
6.
2) Retrouver 1) grâce à l’exponentielle complexe.
————————————–
11 1) On note fla fonction x7−1
1+x2définie sur R.
Montrer qu’il existe, pour tout nN, une fonc-
tion polynomiale Pntelle que pour tout xR:
f(n)(x) = Pn(x)
1+x2n+1. Degré de Pn?
2) On note fla fonction x7−ex2définie sur R.
Montrer qu’il existe, pour tout nN, une fonc-
tion polynomiale Pntelle que pour tout xR:
f(n)(x) = Pn(x)ex2. Degré de Pn?
————————————–
12 On note fla fonction x7−px2+1.
1) Simplifier : x2+1f′′(x)+x f (x)f(x)pour
tout xR.
2) Montrer que pour tous nNet xR:
x2+1f(n+2)(x)+(2n+1)x f (n+1)(x)+n21f(n)(x) = 0.
3) En déduire une expression explicite de f(n)(0)
en fonction de npour tout nN.
————————————–
13 Pour tout nN, calculer la dérivée nème de
x7−xn1ln(1+x)sur ]1,+[.
————————————–
14 Soit nN. On note fnla fonction x7−xne1
x
sur R
+. Montrer que pour tout xR
+:
f(n+1)
n(x) = (1)n+1
xn+2e1
x.
————————————–
15 Montrer que pour tous nNet xR:
Arctan(n)(x) = (n1)!
1+x2n
2
sinnArctan x+nπ
2.
————————————–
1
Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI DÉRIVABILITÉ
3 ROLLE ET ACCROISSEMENTS FINIS
16 Montrer que :
1) pour tout x¾0 : xex1xex.
2) pour tout xR: 0 ch x1xsh x.
————————————–
17 Montrer que pour tous x,yR:
Arctan xArctan y|xy|.
————————————–
18 1) Soit f∈ C1[a,b],R. Montrer que fest lip-
schitzienne sur [a,b].
2) Soit f∈ C1(R,R)périodique. Montrer que fest
lipschitzienne sur R.
————————————–
19 Soit f∈ C2[a,b],R. On fait l’hypothèse que :
f(a) = f(a)et f(b) = f(b). Montrer, en étu-
diant la fonction x7−exf(x)f(x), que pour un
certain c]a,b[:f′′(c) = f(c).
————————————–
20 Soit f∈ D[0,1],R. On suppose que :
f(0) = f(1) = f(0) = 0.
Montrer que la tangente de fen un certain point de
]0,1[passe par l’origine. On pourra étudier la fonction
x7−f(x)
x.
————————————–
21 Soient n¾2 entier et p,qR.
1) Montrer que le polynôme Xn+pX +qpossède
au plus trois racines réelles.
2) Montrer que si nest pair, Xn+pX +qpossède
même au plus deux racines réelles.
————————————–
22 Soit nN. On note Ple polynôme X21n.
1) Montrer que pour tout k¹0, n1º:
P(k)(1) = P(k)(1) = 0.
2) En déduire que P(n)est scindé sur R.
————————————–
23 1) a) Soit PR[X]. On suppose : P¾2
et Pscindé sur Rà racines simples. Mon-
trer que Pest aussi scindé sur Rà racines
simples.
b) Même question, mais sans la préci-
sion « à racines simples ».
2)
a) Soit PR[X]scindé sur Rà racines simples.
Montrer que Pne peut posséder deux coeffi-
cients consécutifs nuls.
b) Soit PR[X]scindé sur R. Montrer que
pour tout λ > 0, P2+λest à racines simples.
————————————–
24 Soit f∈ C(R+,R)dérivable sur R
+, nulle en 0
et de dérivée croissante sur R
+. Montrer que la fonction
x7−f(x)
xest croissante sur R
+.
————————————–
25 Soit f:R+Rune fonction continue sur
R+et dérivable sur R
+pour laquelle : lim
+f=f(0).
Montrer que fs’annule sur R
+. Ce résultat est bien sûr
une extension du théorème de Rolle.
————————————–
26 Soit PR[X]. On suppose que : P(x)¾0
pour tout xR. On pose : Q=
+
X
k=0
P(k)— somme
finie.
1) Montrer que Qpossède un minimum sur R.
2) Que vaut QQ? En déduire que : Q(x)¾0
pour tout xR.
————————————–
27 1) Soient f:[0, a]Ret g:[0, a]Rdeux
fonctions continues sur [0, a], dérivables sur ]0, a]
et telles que : f(0) = g(0) = 0. On suppose
en outre que get gne s’annulent pas sur ]0, a].
a) Pour tout x]0, a], appliquer le théorème
de Rolle à la fonction t7−f(x)g(t)f(t)g(x).
b) En déduire que si : lim
x0
f(x)
g(x)existe, alors :
lim
x0
f(x)
g(x)existe aussi et ces deux limites
sont égales (règle de L’Hôpital).
2) Calculer : lim
x0
ex1xx2
2
sin xx.
————————————–
28 Soient Iun intervalle et f∈ D(I,R). On sou-
haite montrer qu’alors f(I)est un intervalle (théorème
de Darboux).
Soient a,bIavec : abet yRcompris stric-
tement entre f(a)et f(b).
1) Montrer que la fonction x7−f(x)x y n’est
pas monotone sur [a,b].
2) Montrer que la fonction x7−f(x)x y n’est
pas injective sur [a,b].
3) Conclure.
————————————–
29 Soit f∈ D[0,1],R. On fait l’hypothèse
que : f(0) = 0 et f(1) = 1. Montrer que pour
tout nN, il existe des réels x1,...,xn]0,1[dis-
tincts pour lesquels :
n
X
k=1
f(xk) = n. On pourra
s’intéresser aux réels k
n,kdécrivant ¹0, nº.
2
Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI DÉRIVABILITÉ
————————————–
30 Soit PR[X]non constant. On suppose
l’ensemble : X=xR/P(x) = sin xinfini.
1) Montrer que Xest borné.
2) Montrer que les dérivées successives de Psin
s’annulent chacune une infinité de fois.
3) Quelle contradiction ?
————————————–
31 1) Soient Iun intervalle, f∈ C n+1(I,R)
et aI. Soit en outre xIfixé distinct de a.
a) Déterminer un réel Apour lequel la fonction :
tϕ
7−f(x)
n
X
k=0
f(k)(t)
k!(xt)kA
(n+1)!(xt)n+1
s’annule en a.
b) Simplifier ϕ.
c) En déduire que pour un certain cI:
f(x) =
n
X
k=0
f(k)(a)
k!(xa)k+f(n+1)(c)
(n+1)!(xa)n+1.
Ce résultat est bien sûr encore vrai si x=a.
d) On suppose f(n+1)bornée sur Iet on pose :
M=sup
If(n+1). Montrer que pour tout xI:
f(x)
n
X
k=0
f(k)(a)
k!(xa)k|xa|n+1
(n+1)!M.
Ce résultat s’appelle l’inégalité de Taylor-Lagrange.
2) Montrer que pour tout xR:
ex=lim
n+
n
X
k=0
xk
k!et cos x=lim
n+
n
X
k=0
(1)kx2k
(2k)!.
————————————–
32 Soit f∈ Cn[a,b],R. On suppose que f
s’annule en au moins npoints distincts a1,...anavec :
a1<...<an.
1) Soit x[a,b]fixé, distinct de a1,...,an.
a) Déterminer un réel Apour lequel la fonction
tϕ
7−f(t)A(ta1)...(tan)s’annule en x.
b) Montrer, en étudiant les zéros de ϕet de ses
dérivées, que pour un certain c]a,b[:
f(x) = (xa1)...(xan)f(n)(c)
n!.
Ce résultat est bien sûr encore vrai si xest l’un
des réels a1,...,an.
2) Pourquoi f(n)est-elle majorée sur [a,b]? Mon-
trer que si on pose : M=sup
[a,b]f(n), alors
pour tout x[a,b]:f(x)M
n!
n
Y
k=1|xak|.
————————————–
33
1) Soit f∈ C3[a,b],Ravec : a<b.
a) Déterminer un réel Apour lequel la fonction :
xϕ
7−f(x)f(a) + xa
2f(a) + f(x)(xa)3
12 A
s’annule en b.
b) Montrer, en étudiant les zéros de ϕet de ses
dérivées, que pour un certain c]a,b[:
f(b) = f(a)+ ba
2f(a)+ f(b)(ba)3
12 f(3)(c).
2) Soient f∈ C2[a,b],Ret nN. Pour tout
k¹0, nº, on pose : xk=a+kba
n.
a) Montrer que pour tout k¹0, n1º, pour
un certain ck]xk,xk+1[:
Zxk+1
xk
f(t)dt=ba
2nf(xk)+ f(xk+1)(ba)3
12n3f′′(ck)
et interpréter géométriquement.
b) Pourquoi |f′′|est-elle majorée sur [a,b]? Mon-
trer que si on pose : M=sup
[a,b]|f′′|:
Zb
a
f(x)dxba
nf(a) + f(b)
2ba
n
n1
X
k=1
f(xk)
(ba)3
12n2M.
————————————–
34 Soit f∈ C2(R
+,R). On suppose que la fonc-
tion x7−x2f′′(x)est bornée et que : lim
x0f(x) = 0.
1) Montrer que pour tous xR
+et a]0,1[, il
existe un réel ξ]a x,x[pour lequel :
f(ax) = f(x)(1a)x f (x)+ (1a)2
2x2f′′(ξ).
2) En déduire que : lim
x0x f (x) = 0.
————————————–
4 SUITES RÉCURRENTES
ET ACCROISSEMENTS FINIS
35 1) On note fla fonction x7−ex
x+2sur R+.
a) Montrer que ]0,1[est stable par f.
b) Montrer qu’il existe un et un seul α]0, 1[
pour lequel : eα
α+2=α.
2) Soit u0]0,1[. On note (un)nNla suite
définie pour tout nNpar : un+1=eun
un+2.
a) Montrer que pour tout nN:
|unα|2e
9n
,
puis que la suite (un)nNconverge vers α.
3
Christophe Bertault — Mathématiques en MPSI DÉRIVABILITÉ
b) Déterminer un rang npour lequel unest une
approximation de αà 105près.
————————————–
36 Soit u0[0,1]. On note (un)nNla suite telle
que pour tout nN:un+1=eun
eun+1.
1) Montrer que (un)nNest à valeurs dans [0,1].
2) Montrer qu’il existe un et un seul αRpour
lequel : eα
eα+1=α, et que α[0,1].
3) a) Montrer que pour tout nN:
|unα|1
4n
,
puis que la suite (un)nNconverge vers α.
b) Déterminer un rang npour lequel unest une
approximation de αà 105près.
————————————–
5 LIMITE DE LA DÉRIVÉE
ET PROLONGEMENT DE CLASSE Ck
37 Montrer que la fonction x7−x2ln x, définie sur
R
+, est prolongeable en une fonction de classe C1sur
R+tout entier.
————————————–
38 Pour quelle valeur maximale de kla fonction
x7−x3ln|x|si x6=0
0 si x=0est-elle de classe Cksur
Rtout entier ?
————————————–
39 Soit f∈ C2(R+,R). On fait l’hypothèse que :
f(0) = 0. Montrer qu’il existe une fonction g∈ C1(R+,R)
pour laquelle pour tout xR+:f(x) = gx2.
————————————–
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