Ce chapitre couvre le programme de 2ème Bac sur le thème « Dérivation et étude de fonctions ».
Dérivabilité en un point, à droite/gauche, sur un intervalle ; dérivées usuelles et opérations ; monotonie et extremums ; dérivée d'une composée et d'une réciproque ; branches infinies ; concavité et symétrie.
Définition : soit $f$ une fonction définie sur un intervalle ouvert $I$ et $a \in I$. $f$ est dérivable en $a$ s'il existe un réel $l$ tel que $\displaystyle\lim_{x \to a} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = l$. Ce réel $l$ est le nombre dérivé de $f$ en $a$, noté $f'(a)$.
Si $f$ est dérivable en $a$, la courbe $(C_f)$ admet en $A(a; f(a))$ une tangente d'équation : $y = f'(a)(x-a) + f(a)$.
Exemple : $g(x)=x^3$. $\displaystyle\lim_{x \to 1} \dfrac{g(x)-g(1)}{x-1} = \lim_{x \to 1} \dfrac{(x-1)(x^2+x+1)}{x-1} = 3$. Donc $g$ est dérivable en 1, $g'(1)=3$, et la tangente en $A(1,g(1))$ a pour équation $y=3(x-1)+1=3x-2$.
Remarques :
Définitions : $f$ est dérivable à droite en $a$ si $\displaystyle\lim_{x \to a^+} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = l$, noté $f'_d(a)$. De même à gauche, noté $f'_g(a)$.
Interprétation géométrique : si $f$ est dérivable à droite (resp. à gauche) en $a$, $(C_f)$ admet une demi-tangente à droite (resp. à gauche) en $A(a,f(a))$ d'équation $y=f'_d(a)(x-a)+f(a)$ (resp. avec $f'_g(a)$).
Propriété : $f$ est dérivable en $a$ $\iff$ $f$ est dérivable à droite et à gauche en $a$, et $f'_d(a) = f'_g(a)$.
$f$ est dérivable sur $]a,b[$ si elle est dérivable en tout point de $]a,b[$. $f$ est dérivable sur $[a,b]$ si elle est dérivable sur $]a,b[$, dérivable à droite en $a$ et à gauche en $b$.
La fonction dérivée de $f$, notée $f'$, est définie par $f': I \to \mathbb{R}, x \mapsto f'(x)$.
| Fonction $f$ | Dérivée $f'$ | Dérivable sur |
|---|---|---|
| $x \mapsto a$ (constante) | $x \mapsto 0$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto x$ | $x \mapsto 1$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto ax+b$ | $x \mapsto a$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto x^n$ | $x \mapsto nx^{n-1}$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto \sqrt{x}$ | $x \mapsto \dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ | $]0,+\infty[$ |
| $x \mapsto \dfrac{1}{x}$ | $x \mapsto -\dfrac{1}{x^2}$ | $]-\infty,0[$ ou $]0,+\infty[$ |
| $x \mapsto \sin x$ | $x \mapsto \cos x$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto \cos x$ | $x \mapsto -\sin x$ | $\mathbb{R}$ |
| $x \mapsto \tan x$ | $x \mapsto 1+\tan^2 x = \dfrac{1}{\cos^2 x}$ | $\mathbb{R} \setminus \{\frac{\pi}{2}+k\pi\}$ |
Soient $u,v$ dérivables sur $I$ et $k \in \mathbb{R}$ :
Monotonie — soit $f$ dérivable sur $I$ :
Extremums — soit $f$ dérivable sur $I$, $x_0 \in I$ :
Dérivées successives : si $f'$ est dérivable sur $I$, sa dérivée est la dérivée seconde $f''$ (ou $f^{(2)}$). On définit ainsi $f^{(n+1)} = (f^{(n)})'$, la dérivée d'ordre $n$.
Propriété : toute fonction dérivable en $a$ est continue en $a$. Si $f$ est dérivable sur $I$, alors $f$ est continue sur $I$.
Remarque : la réciproque est fausse : $f: x \mapsto |x|$ est continue en 0 mais non dérivable en 0 (car $f'_d(0)=1 \neq f'_g(0)=-1$).
Propriété : si $f$ est dérivable sur $I$ et $g$ dérivable sur $f(I)$, alors $g \circ f$ est dérivable sur $I$, et pour tout $x$ de $I$ : $(g \circ f)'(x) = f'(x) \times g'(f(x))$.
Exemple : $f(x)=x^2+1$, $g(x)=\dfrac{x}{x-2}$. $g \circ f$ est dérivable sur $I=]1,+\infty[$ (car $f$ polynomiale dérivable, $f(I)=]2,+\infty[$, et $g$ rationnelle dérivable sur $\mathbb{R} \setminus \{2\} \supset f(I)$), et $(g \circ f)'(x) = \dfrac{-2}{(x^2-1)^2} \times 2x = \dfrac{-4x}{(x^2-1)^2}$.
Conséquence : si $u$ est strictement positive et dérivable sur $I$, alors $\sqrt{u}$ est dérivable sur $I$ et $\left(\sqrt{u}\right)' = \dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$.
Propriété : soit $f$ continue et strictement monotone sur $I$, $a \in I$ :
Exemple : $f(x)=\sqrt{x^2+1}$ sur $\mathbb{R}^+$. $f$ est strictement croissante (car $f'(x)=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+1}} > 0$ sur $]0,+\infty[$), donc admet une réciproque sur $f(\mathbb{R}^+)=[1,+\infty[$. On a $f(\sqrt{3})=2$ et $f'(\sqrt{3})=\dfrac{\sqrt{3}}{2} \neq 0$, donc $f^{-1}$ est dérivable en 2 et $\left(f^{-1}\right)'(2) = \dfrac{1}{f'(\sqrt{3})} = \dfrac{2\sqrt{3}}{3}$.
Propriété 1 : $x \mapsto \sqrt[n]{x}$ est dérivable sur $]0,+\infty[$ et $\left(\sqrt[n]{x}\right)' = \dfrac{1}{n\left(\sqrt[n]{x}\right)^{n-1}}$.
Si $f$ est strictement positive et dérivable sur $I$, alors $x \mapsto \sqrt[n]{f(x)}$ est dérivable sur $I$ et $\left(\sqrt[n]{f(x)}\right)' = \dfrac{f'(x)}{n \times \left(\sqrt[n]{f(x)}\right)^{n-1}}$.
Propriété 2 : pour $r \in \mathbb{Q}^*$, $x \mapsto x^r$ est dérivable sur $\mathbb{R}_+^*$, de dérivée $x \mapsto rx^{r-1}$. Si $u$ est dérivable et strictement positive sur $I$, alors $\left((u(x))^r\right)' = ru'(x)(u(x))^{r-1}$.
Exemple : $f(x)=\dfrac{2x}{x-1}$. $\displaystyle\lim_{x \to \pm\infty} f(x) = 2$ : asymptote horizontale $y=2$. $\displaystyle\lim_{x \to 1^+} f(x)=+\infty$, $\displaystyle\lim_{x \to 1^-} f(x)=-\infty$ : asymptote verticale $x=1$.
Soit $f$ deux fois dérivable sur $I$ :
Axe de symétrie : la droite $x=a$ est axe de symétrie de $(C_f)$ $\iff$ $\forall x \in D_f$, $2a-x \in D_f$ et $f(2a-x)=f(x)$.
Centre de symétrie : $\Omega(a,b)$ est centre de symétrie de $(C_f)$ $\iff$ $\forall x \in D_f$, $2a-x \in D_f$ et $f(2a-x)=2b-f(x)$.
Exemple (axe) : $f(x)=x^2-2x+1$. On vérifie $f(2-x)=(2-x)^2-2(2-x)+1=x^2-2x+1=f(x)$ : la droite $x=1$ est axe de symétrie de $(C_f)$.
Méthode à retenir
Méthode — étude complète d'une fonction :
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