Fonctions dérivables
Bcpst 1 27 février 2017
Notations du chapitre
Dans tout ce chapitre
I
est un intervalle non vide de
R
et
non réduit à un point,x0est un point de Iet f:IR.
On note Cfla courbe représentative de fdans un repère orthonormé donné.
I Nombre dérivé en un point
I.1 — Définition
Soit
M0
le point de coordonnées
(x0,f(x0))
et
M
le point de coordonnées
(x,f(x))
.
Alors f(x)f(x0)
xx0
est le coecient directeur de la corde [M M0]de Cf.
x
y
Cf
M0
M
M
M
Figure I.1 — Corde, tangente et dérivabilité
Faisons alors tendre
x
vers
x0
. La corde peut admettre une position limite lorsque
M
se rapproche de
M0
. Cette position limite s’appelle la tangente de la courbe
Cf
.
I Nombre dérivé en un point 2
Si cette position limite n’est pas verticale, alors
f(x)f(x0)
xx0
xx0mR
mest la pente de la tangente en x0àCf.
En notant f0(x0)cette limite, l’équation de la tangente en x0s’écrit
y=f0(x0)×(xx0) + f(x0)
Définition 1.1 Nombre dérivé d’une fonction en un point
La fonction fest dérivable en x0si et seulement si le taux d’accroissement
f(x)f(x0)
xx0
admet une limite finie en x0.
Dans ce cas, cette limite se note f0(x0)et s’appelle le nombre dérivé de fen x0.
f0(x0) = lim
xx0
f(x)f(x0)
xx0
=lim
h0
f(x0+h)f(x0)
h(sous réserve d’existence)
On peut aussi noter
f0(x0) = f (x)
x x0
. La notation
df
désignait autrefois un
accroissement infinitésimal de la « variable »
f
. On voit bien, sur cette notation,
l’idée de coecient directeur au sens « infinitésimal » du terme.
Notez l’importance de l’hypothèse «
I
non réduit à un point» : il faut pouvoir prendre
au moins deux points de l’intervalle pour que les notions de corde et de tangente
aient un sens.
Théorème 1.2 Tangente en un point de Cf
La fonction
f
est dérivable en
x0
si et seulement si
Cf
admet une tangente non verticale
au point (x0,f(x0)).
Par ailleurs
lim
xx0
f(x)f(x0)
xx0
xx0
si et seulement si
Cf
admet une tangente
verticale en x0.
Dém.
Exemple
Une fonction constante
x7→ a
est dérivable en tout point : sa dérivée est nulle
(réciproque à venir !)
I Nombre dérivé en un point 3
la fonction x7→ xnen un point x0quelconque, par le binôme de Newton
(x0+h)nxn
0
h=1
hxn
0+nhxn1
0+
n
X
k=2n
khkxnkxn
0
=nxn1
0+
n
X
k=2n
khk1xnkxn
0
h0nxn1
0
la fonction x7→ 1/xen tout point non nul x0:
1
h1
x0+h1
x0=h
hx0(x0+h)
h01
x2
0
la fonction
x7→ px
en tout point
x0
de
R
+
, par la méthode de la quantité conju-
guée : 1
hÆx0+hpx0=1
h
h
px0+px0+h
h0
1
2px0
La fonction x7→ pxadmet une tangente verticale en 0.
la fonction cos, mais ce n’est pas démontrable sans définition propre du cos.
AEn pratique
Qu’est-ce qu’une fonction non dérivable en un point ? La question
est vaste, mais on peut imaginer quelques cas simples.
La fonction présente un brusque chan-
gement de direction, un «rebond». Le
taux d’accroissement à une limite dif-
férente à gauche et à droite.
La fonction présente une déchirure.
Le taux d’accroissement a une limite
infinie à droite (mais finie à gauche).
I Nombre dérivé en un point 4
La tangente est verticale en un point.
Le taux d’accroissement admet des li-
mites infinies à gauche et à droite.
I.2 — Dérivation et continuité
Le second exemple ci-dessus permet de comprendre que la continuité est une condi-
tion nécessaire de dérivabilité.
Théorème 1.3 Dérivable implique continue
Si fest dérivable en x0alors fest continue en x0.
Dém. En eet, on peut écrire, sur un voisinage de x0,
f(x) = f(x0)+(xx0)×f(x)f(x0)
xx0
Si
f
est dérivable en
x0
, en faisant tendre
x
vers
x0
le terme le plus à droite va tendre
vers
0×f0(x0)
, c’est-à-dire
0
. Ainsi
f(x)
xx0f(x0)
, ce qui établit la continuité
def.
Intrinsèquement, on a utilisé le développement limité d’ordre 1de fen x0.
La réciproque est fausse. La fonction
f:R+R
x7−→ |x|
est continue en
0
mais pas
dérivable en 0.
Corollaire 1.4
Si une fonction
f
est dérivable sur un domaine
D
alors elle est
continue sur D.
I.3 — Dérivabilité à gauche, à droite
Définition 1.5 Dérivabilité à gauche, à droite.
On dit que
f
est dérivable à gauche en
x0
(resp. à droite en
x0
) si et seulement si la
fonction
ϕ:x7→ f(x)f(x0)
xx0
admet une limite finie à gauche en x0(resp. une limite finie à droite en x0).
II — Fonction dérivée 5
Propriété 1.6
La fonction
f
est dérivable en
x0
si et seulement si
f
est dérivable à
gauche et à droite en x0et que f0
+(x0) = f0
(x0).
Graphiquement, si les dérivées à gauche et à droite sont diérentes, cela signifie
que Cf« fait un angle » en x0.
Exemple La fonction f:x7→ |x|.
II — Fonction dérivée
II.1 — Définition
Définition 2.1 Dérivabilité sur un intervalle – Fonction dérivée
Si fest dérivable en tout point de Ion dit que fest dérivable sur I.
La fonction f0définie par f0:IR
x7−f0(x)
est la fonction dérivée de f.
Exemple Les fonctions usuelles : voir tout bon formulaire.
Dérivées successives
Si
f
est dérivable sur
I
et que
f0
est également dérivable sur
I
, on dit que
f
est
deux fois dérivable sur
I
, et la dérivée de
f0
se note
f00
ou
f(2)
. C’est la dérivée
seconde de fsur I.
On définit ainsi de proche en proche les dérivées d’ordre 3, 4, etc. de
f
. La fonction
dérivée d’ordre nde fse note f(n). Par exemple : f(3),f(4),f(5), etc.
Définition 2.2 Fonction de classe Cnsur I
Une fonction
f
est de classe
Cn
sur
I
si et seulement si
f
est dérivable
n
fois sur
I
et que
la dérivée
n
–ième de
f
est continue sur
I
. L’ensemble des fonctions de classe
Cn
sur
I
se
note Cn(I).
La fonction
f
est de classe
C
sur
I
si et seulement si
f
est dérivable
n
fois, pour tout
entier naturel n. L’ensemble des fonctions de classe Csur Ise note C(I).
Exemple
Les fonctions polynômiales, la fonction exponentielle, les fonctions
sin
et
cos
sont
réputées C(R).
Il est facile d’exhiber une fonction qui n’est pas
C1(R)
en prenant une fonction
qui n’est pas dérivable, comme par exemple x7→ |x|.
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