Fonctions numériques : dérivation Table des matières

Fonctions numériques : dérivation
Table des matières
I Notion de tangente à une courbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
II Nombre dérivé de fen aet fonction dérivée : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
III Tableau des dérivées usuelles : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
IV Dérivées et opérations : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
V Dérivée de la composée de quelques fonctions : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
V.1 Dérivée de x7→ pu(x). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
V.2 Dérivée de x7→ un(x), nN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
V.3 Dérivée de la fonction x7→ f(ax +b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
V.4 Dérivée de sinuet cosu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
V.5 Dérivée de fg.............................................. 7
VI Application de la dérivabilité : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
VI.1 Utilisation du nombre dérivé pour le calcul de certaines limites : ................. 7
VI.2 Sens de variation d’une fonction : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
VII Rappels sur les fonctions cosinus et sinus : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
VII.1 Radian ................................................... 8
VII.2 Cosinus et sinus d’un angle x. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
VII.3 Dérivée de cos(u) et de sin(u). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
VII.4 Cercle trigonométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I Notion de tangente à une courbe
Soit fune fonction définie sur un intervalle Ide courbe représentative Cfet soit Aun point fixe de Cf.
Soit Mun point variable de Cf. On trace la droite (AM) qui est sécante à Cf. On fait tendre Mvers A. Si, lorsque
Mtend vers A, la sécante admet une position limite, on dit que cette limite est tangente à Cf.
1
2
3
4
5
1
2
3
1 2 3 412345
AM
Cf
1
1
2
3
4
5
1
2
3
1 2 3 4123
A
M
Cf
1
2
3
4
5
1
2
3
1234512345
M=A
Cf
II Nombre dérivé de fen aet fonction dérivée :
Définition
Notons al’abscisse de Aet xl’abscisse de M. Le coefficient directeur de la sécante (AM) est : f(x)f(a)
xa.
Dire que la sécante a une position limite qui est la droite tangente à Cfen Asignifie que lim
xa
f(x)f(a)
xa
existe.
Si ce nombre existe et s’il est ni, on pose : f(a)=lim
xa
f(x)f(a)
xaet ce nombre est le nombre dérivé de fen
a.
On dit alors que fest dérivable en a.
Remarque :
En posant x=a+h, on obtient : f(a)=lim
h0
f(a+h)f(a)
h.
Exemple : f(x)=x2.
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Pour tout aR:f(a+h)f(a)
h=[a+h]2a2
h=a2+2ah +h2a2
h=2ah +h2
h=2a+h.
Par conséquent : lim
h0µf(a+h)f(a)
h=2a.
fest dérivable en aet f(a)=2a
Par définition, f(a) est le coefficient directeur de la tangente àCfen a.
Propriété
L’équation de la tangente est alors : y=f(a)(xa)+f(a).
Démonstration :
Rappel : la droite, de coefficient directeur aet passant par le point M0de coordonnées ¡x0;y0¢a pour équation
yy0=a(xx0).
En effet, l’équation est de la forme y=ax +b.
Comme M0appartient à cette droite, ses coordonnées vérifient cette équation, donc y0=ax0+b.
Par conséquent : ½y=ax +b
y0=ax0+b.
Par soustraction, on obtient : yy0=a(xx0).
Pour la tangente, on obtient donc : yyA=f(a)(xxA)qui donne y=f(a)(xxA)+f(a).
Définition
fest dérivable sur un intervalle ouvert Isi fest dérivable en tout ade I.
Remarque
La dérivée fde fest elle-même une fonction. Si elle est dérivable, on appelle f′′ sa dérivée (dérivée se-
conde de f).
Cette dérivée seconde peut elle-même être dérivable et ainsi de suite. Les dérivées d’ordre n, avec nÊ3, se
notent f(n).
Ainsi : f′′ =¡f¢;f(3) =¡f′′¢et plus généralement f(n+1) =¡f(n)¢
Exemples :
1. Soit f(x)=3x4+5x2+2x+1.
On a : f(x)=12x3+10x+2 ; f′′(x)=36x2+10 ; f(3)(x)=72x:f(4)(x)=72 ; f(5)(x)=0 et les dérivées
suivantes sont toutes égales à la fonction nulle.
2. Soit f(x)=sinx.
Alors : f(x)=cosx;f′′(x)= −sinx;f(3)(x)= −cosx;f(4)(x)=sinx=f(x). On retombe sur la fonction
initiale.
3. Imaginons qu’il existe une fonction fdéfinie et dérivable sur Rtelle que, f(x)=f(x). fest-elle dérivable
à l’ordre 3 si oui, que vaut f(3) ?
Réponse : f=fdonc fest dérivable et f′′ =(f)=fet de même f(3) =f.
On pourrait alors montrer par récurrence, que la fonction fvérifie alors : pour tout n,f(n)=f.
On étudiera cette fonction plus en détail dans un prochain chapitre.
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Exercices
Montrer que la fonction x7→|x|n’est pas dérivable en 0.
Étudier la dérivabilité de la fonction x7→x|x|en 0.
Solutions :
Soit fla fonction x7→|x|.
x6=0, f(x)f(0)
x0=|x|0
x0=|x|
x.
Si x<0, |x|
x=x
x=1 et pour x>0, |x|
x=x
x=1.
On en déduit que : lim
x0
x<0
f(x)f(0)
x0=lim
x0
x<0
(1) =1, alors que lim
x0
x>0
f(x)f(0)
x0=lim
x0
x>0
(1) =1.
La limite à gauche et à droite n’est pas la même, donc la limite en 0 n’existe pas ; fn’est pas dérivable en 0
(mais l’est à gauche et à droite) ; on dit que la courbe admet une demi-tangente à gauche et une demi-tangente
à droite.
Soit g:x7→ x|x|. Cette fois, on a : lim
x0
g(x)g(0)
x0=lim
x0
x|x|
x=lim
x0(|x|)=0 ; la limite existe, donc la fonction g
est dérivable en 0 et la courbe représentative de ga une tangente en 0.
Voici les deux représentations graphiques de fet de g.
1
2
1
1 2123
1
2
1
1 2123
III Tableau des dérivées usuelles :
Fonction fdéfinie par : Fonction fdéfinie par : Domaine de décidabilité de validité
f(x)=kRf(x)=0R
f(x)=xn(nN)f(x)=nxn1R
f(x)=1
xf(x)=1
x2R
f(x)=1
xn=xn(nN,nÊ2) f(x)=n
xn+1=nxn1R
f(x)=px f (x)=1
2px]0 ; +∞[
f(x)=cosx f (x)=sinxR
f(x)=sinx f (x)=cosxR
IV Dérivées et opérations :
Soient u,vdeux fonctions dérivables sur un intervalle Iet kun réel.
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(ku)=ku
(u+v)=u+v
(uv)=uv+uv
µ1
u=u
u2,u(x)6=0
³u
v´=uvuv
v2,v(x)6=0
Théorème (admis)
Soit fune fonction définie sur un intervalle ouvert Iet dérivable en aI; alors, fest continue en a
Attention, la réciproque est fausse ; une fonction peut être continie en a, mais pas dérivable ; exemple, la fonction
x7→|x|en 0.
V Dérivée de la composée de quelques fonctions :
V.1 Dérivée de x7→pu(x)
Propriété
Soit uune fonction définie, positive et dérivable sur un intervalle I., de fonction dérivée u.
La fonction fdéfinie sur I par f:x7→pu(x) est dérivable en tout nombre xtel que u(x)6=0 et
f(x)=u(x)
2pu(x).
Démonstration :
Démonstration :
Soit xItel que u(x)>0. Soit J un intervalle de I contenant I.
Soit hun réel non nul, tel que x+hJ.
Soit A(h)=pu(x+h)u(x)
het on étudie la limite quand htend vers 0.
A(h)=£pu(x+h)pu(x)¤×£pu(x+h)+pu(x)¤
£pu(x+h)+pu(x)¤=u(x+h)u(x)
h£pu(x+h)+pu(x)¤(avec pu(x+h)+pu(x)>0).
Or, lim
h0µu(x+h)u(x)
h=u(x) ; lim
h0u(x+h)=u(x) par continuité de udonc lim
h0hpu(x+h)+pu(x)i=2px.
On en déduit que lim
h0A(h)=u(x)
2pu(x)cqfd.
Exemple : f(x)=p3x2+5x+7 définie sur R.
f(x)=pu(x) avec u(x)=3x2+5x+7 et u(x)=6x+5.
Alors : f(x)=6x+5
2p3x2+5x+7.
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