Corrigé DS 2 01/10/2016
Exercice 1 : Une étude de fonction
1. Pour tout xR, cosx<1 donc 2 cosx>1. Ainsi, fest un quotient de fonctions définies sur Rdont
le dénominateur ne s’annule pas sur R. Par suite, fest définie sur R. Le domaine de définition de fest
symétrique par rapport à 0 et, pour tout xR,
f(x) = sin(x)
2cos(x)=sinx
2cosx=f(x)
donc fest impaire.
En conclusion, fest définie sur D(f) = Ret est impaire.
2. Soit xR. On a x+2πRet
f(x+2π) = sin(x+2π)
2cos(x+2π)=sinx
2cosx=f(x).
En conclusion, fest 2π-périodique.
3. La fonction fest dérivable sur D(f)comme quotient de fonctions dérivables sur Rdont le dénominateur
ne s’annule pas et pour tout xR:
f0(x) = cos(x)2cos(x)sin(x)sin(x)
(2cosx)2=2cos(x)(cos2x+sin2x)
(2cosx)2=2cosx1
(2cosx)2
qui est du signe de 2cosx1 car (2cosx)2>0.
4. On a, pour tout x[0,π],
2cosx10cosx1
2x[0,π
3]
et, de même, 2cosx10x[π
3,π]. De plus, f(0) = 0, f(π) = 0 et
fπ
3=
3
2
21
2
=
3
2
3
2
=1
3.
On obtient ainsi le tableau de variations :
x
f0(x)
f(x)
0π
3π
+0
00 1
3
1
300
5. Avec le tableau de variations, on a, pour tout x[0,π],
0f(x)1
3
donc, par imparité, pour tout x[π,π],1
3f(x)1
3. Or, fest 2π-périodique donc, pour tout
xR,
1
3f(x)1
3.
En conclusion, fest bornée sur D(f) = R.
Exercice 2 : Fonction arccoscos
1. On a cosπ
4=cosπ
4=2
2. Ainsi, comme π
4[0,π], arccos2
2=π
4donc
fπ
4=arccos 2
2!=π
4.
2. La fonction cos est définie sur Ret la fonction arccos est définie sur [1,1]. De plus, pour tout xR,
on a 1cosx1 donc fest définie sur R.
3. La fonction fest définie sur Rqui est symétrique par rapport à 0 et, pour tout xR, par parité de cos,
f(x) = arccoscos(x)=arccoscos(x)=f(x).
En conclusion, fest une fonction paire.
4. La fonction fétant 2π-périodique, il suffit d’étudier fsur [π,π]. Comme fest également paire, il
suffit finalement de l’étudier sur [0,π].
5. Pour tout x[0,π]et tout y[1,1], on a l’équivalence :
cos(x) = yx=arccos(y).
Finalement, pour tout x[0,π],f(x) = arccoscosx=x.
6. Pour construire le graphe Cfde f, on trace la courbe de x7→ xsur [0,π]puis de x7→ −xsur [π,0]
car fest paire avant de compléter par 2π-périodicité. On obtient le graphe suivant :
x
f(x)
π
π
0
π
2π2π
7. Comme arccos est dérivable sur ]1,1[,fest dérivable en xRsi et seulement si cos(x)6=1 et cos(x)6=1.
Ainsi, fest dérivable sur R\πZ. Avec les questions précédentes, on sait que, pour tout x]π,π[\{0},
f(x) = xsi x]0,π[;
xsi x]π,0[
donc
f0(x) = 1 si x]0,π[;
1 si x]π,0[.
En conclusion, par 2π-périodicité, pour tout xR\πZ,
f0(x) = 1 si x]0,π[+2πZ;
1 si x]π,0[+2πZ.
Exercice 3 : Une simplification
1. La fonction fest définie et continue sur Ren tant que polynôme. De plus, fest strictement croissante
sur Ret on a f(x)
x+
+et f(x)
x→−. Par le théorème de la bijection, fréalise une bijection
de Rsur ],+[= R.
2. On a, pour tous x,yR,
(x+y)3= (x+y)(x2+2xy +y2) = x3+3x2y+3y2x+y3=x3+y3+3xyx +3xyy =x3+y3+3xy(x+y).
3. Avec la question précédente, on a :
a3=3
q20 +142+3
q20 1423
=3
q20 +1423
+3
q20 1423
+33
q20 +1423
q20 1423
q20 +142+3
q20 142
=20 +142+20 142+33
q(20 +142)(20 142)a
=40 +33
q202(142)2a
=40 +33
8a
donc a3=40 +6a.
4. Procédons par analyse-synthèse. Supposons qu’il existe α,β,γRtel que
x36x40 = (x4)(αx2+βx+γ).
En développant, on aurait pour tout xR,
x36x40 =αx3+ (β4α)x2+ (γ4β)x4γ.
Ainsi, on a α=1, β4α=0, (γ4β) = 6 et 4γ=40 qui donne α=1, β=4, γ=10.
On vérifie qu’en développant, on a effectivement, pour tout xR,(x4)(x2+4x+10) = x36x40.
5. La fonction ψ:x7→x2+4x+10, définie sur R, est une fonction polynomiale de degré 2 dont le discrimi-
nant vaut 424×10 =24 <0 donc cette fonction est de signe constant sur R. De plus ψ(0) = 10 >0.
Finalement x7→ x2+4x+10 une fonction strictement positive sur R.
6. Avec les deux questions précédentes, on a les équivalences, pour tout xR,
x36x40 =0(x4)(x2+4x+10
| {z }
>0
) = 0x4=0.
Ainsi, l’unique solution de l’équation d’inconnue xR:x36x40 =0 est 4.
7. Avec la question 3, a36a40 =0 donc aest l’unique solution de l’équation de la question précédente.
En conclusion, a=4.
Exercice 4 : Fonctions sigmoïdes
Fonction tangente hyperbolique
1. On a th =sh
ch . La fonction th est donc un quotient de fonctions définies et dérivables sur Rdont le
dénominateur ne s’annule pas sur Rdonc th est définie et dérivable sur R. On a, pour tout xR:
th0(x) = sh0(x)ch(x)ch0(x)sh(x)
ch2(x)=ch2(x)sh2(x)
ch2(x)=1
ch2(x).
La fonction th est définie sur Rqui est symétrique par rapport à 0 et, pour tout xR,
th(x) = exe(x)
ex+e(x)=exex
ex+ex=exex
ex+ex=th(x).
Finalement, th est une fonction impaire.
2. On a, sur R, th0=1
ch2>0. De plus, pour tout xR,
th(x) = ex(1e2x)
ex(1+e2x)=1e2x
1+e2x
donc, comme e2x
x+
0, par opérations
th(x)
x+
1
1=1.
De la même manière th(x)
x+1. On obtient ainsi le tableau de variations
x
f0(x)
f(x)
+
+
1111
puis la représentation graphique :
x
f(x)
0
1
1
3. La fonction th est continue et strictement croissante sur Rdonc, par le théorème de la bijection, th réalise
une bijection de Rsur th(R) =] 1,1[(la dernière égalité étant justifié par le tableau de variations).
4. Soit xRet y]1,1[. On a les équivalences, en posant X=eX>0,
y=th(x)y=exex
ex+exy=X1
X
X+1
X
y=X21
X2+1(X2+1)y=X21
(1y)X2=1+yX2=1+y
1y
(ex)2=1+y
1yex=q1+y
1y
x=lnq1+y
1y=1
2ln1+y
1y
En conclusion, pour tout x]1,1[,
th1(x) = 1
2ln1+x
1x.
5. La fonction ln étant dérivable sur ]0,+[, th1est dérivable en xRlorsque 1+x
1x>0. Ainsi, th1est
dérivable sur]1,1[et pour tout x]1,1[:
th10(x) = 1
2
d
dx1+x
1x
1+x
1x
=1
2
2
(1x)2
1+x
1x
=1
(1x)(1+x).
Finalement th1est dérivable sur]1,1[et pour tout x]1,1[:
th10(x) = 1
1x2.
Fonction sigmoïde
6. Pour tout xR, 1 +eλx>1>0 donc fλest l’inverse d’une fonction dérivable sur Rdont le dénomi-
nateur ne s’annule pas : fλest dérivable sur R. On a, pour tout xR,
f0
λ(x) =
d
dx(1+eλx)
(1+eλx)2=λeλx
(1+eλx)2=λeλx
(1+eλx)2.
7. La dérivée de fλest du signe de λ. On distingue les cas λ>0, λ=0 et λ<0.
Lorsque λ>0, fλest strictement croissante et, comme eλx
x+
0, eλx
x→−
+, par opérations
fλ(x)
x+
1
1+0=1 et fλ(x)
x→−
0.
Lorsque λ<0, fλest strictement décroissante et, de façon analogue,
fλ(x)
x+
0 et fλ(x)
x→−
1.
Lorsque λ=0, fλest constante en 1
2et
fλ(x)
x+
1
2et fλ(x)
x→−
1
2.
8. Soit xR.Ona:
fλ(x) = 1
eλx
2eλx
2+eλx
2=1
eλx
2eλx
2+eλx
2=eλx
2
eλx
2+eλx
2
=
1
2eλx
2+eλx
2+1
2eλx
2eλx
2
eλx
2+eλx
2
qui donne
fλ(x) = 1
2+1
2
eλx
2eλx
2
eλx
2+eλx
2
.
En conclusion, pour tout xR,fλ(x) = 1
2+1
2thλx
2.
Équation différentielle
9. Soit fune fonction définie sur Ret ne s’annulant pas sur R. On pose g=1
f1. On a les équivalences
(les égalités entre fonctions étant valables sur R) :
f0=λf(1f)
f(0) = 1
2(f0
f2=λf(1f)
f2
1
f(0)=2
(f0
f2+λ1
f1=0
1
f(0)1=1
1
f10+λ1
f1=0
1
f(0)1=1g0+λg=0
g(0) = 1
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