Dérivation et étude de fonctions

Ce chapitre couvre le programme de 2ème Bac sur le thème « Dérivation et étude de fonctions ».

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Objectifs du chapitre

Dérivabilité et étude des 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.

I. Dérivabilité d'une fonction numérique

1. Dérivabilité en un point

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 :

  • Si $f'(a)=0$, $(C_f)$ admet une tangente horizontale $y=f(a)$ en $a$.
  • Si $\displaystyle\lim_{x \to a} \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = \infty$, $f$ n'est pas dérivable en $a$ ; $(C_f)$ admet une tangente verticale en $a$.

2. Dérivabilité à droite — à gauche

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 $f'_d(a) = f'_g(a)$.

3. Dérivabilité sur un intervalle

$f$ 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 $f': I \to \mathbb{R}, x \mapsto f'(x)$.

4. Dérivées des fonctions usuelles

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\}$

5. Opérations sur les fonctions dérivées

Soient $u,v$ dérivables sur $I$ et $k \in \mathbb{R}$ :

  • $(u+v)' = u'+v'$
  • $(u \times v)' = u'v + uv'$
  • $(k \times u)' = k \times u'$
  • Si $v$ ne s'annule pas sur $I$ : $\left(\dfrac{1}{v}\right)' = \dfrac{-v'}{v^2}$ et $\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v-uv'}{v^2}$

Monotonie et extremums d'une fonction dérivable

Monotonie — soit $f$ dérivable sur $I$ :

  • si $f'(x) > 0$ sur $I$ (ou $f'(x) \ge 0$ avec $f'$ nulle seulement en points isolés) : $f$ est strictement croissante sur $I$
  • si $f'(x) < 0$ sur $I$ (idem) : $f$ est strictement décroissante sur $I$
  • si $f'(x)=0$ sur $I$ : $f$ est constante sur $I$

Extremums — soit $f$ dérivable sur $I$, $x_0 \in I$ :

  • si $f'$ s'annule en $x_0$ et change de signe au voisinage de $x_0$, alors $f(x_0)$ est un extremum (maximum ou minimum) de $f$
  • si $f$ admet un extremum en $x_0$, alors $f'(x_0)=0$

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 $n$.

II. Continuité et dérivation

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 $f'_d(0)=1 \neq f'_g(0)=-1$).

III. Dérivée d'une fonction composée

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 $\left(\sqrt{u}\right)' = \dfrac{u'}{2\sqrt{u}}$.

IV. Dérivée de la fonction réciproque

Propriété : soit $f$ continue et strictement monotone sur $I$, $a \in I$ :

  • si $f$ est dérivable en $a$ et $f'(a) \neq 0$, alors $f^{-1}$ est dérivable en $f(a)$ et $\left(f^{-1}\right)'(f(a)) = \dfrac{1}{f'(a)}$
  • si $f$ est dérivable sur $I$ et $f'$ ne s'annule pas sur $I$, alors $f^{-1}$ est dérivable sur $f(I)$ et $\left(f^{-1}\right)'(x) = \dfrac{1}{f'(f^{-1}(x))}$

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 $\left(f^{-1}\right)'(2) = \dfrac{1}{f'(\sqrt{3})} = \dfrac{2\sqrt{3}}{3}$.

V. Dérivée de la fonction $x \mapsto \sqrt[n]{u(x)}$

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 $\left((u(x))^r\right)' = ru'(x)(u(x))^{r-1}$.

VI. Branches infinies (rappels)

  • Si $\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \infty$ : $(C_f)$ admet une asymptote verticale $x=a$.
  • Si $\displaystyle\lim_{x \to \infty} f(x) = l$ : $(C_f)$ admet une asymptote horizontale $y=l$.
  • Si $\displaystyle\lim_{x \to \infty} f(x) = \infty$, on étudie $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \dfrac{f(x)}{x}$ :
    • si la limite vaut $0$ : branche parabolique de direction l'axe des abscisses
    • si la limite est infinie : branche parabolique de direction l'axe des ordonnées
    • si la limite vaut $a$ (fini, non nul), on étudie $\displaystyle\lim_{x \to \infty} (f(x)-ax)$ : si infinie, branche parabolique de direction $y=ax$ ; si elle vaut $b$, $(C_f)$ admet l'asymptote oblique $y=ax+b$

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 $x=1$.

VII. Concavité d'une courbe — Points d'inflexion

Soit $f$ deux fois dérivable sur $I$ :

  • $(C_f)$ est concave sur $I$ $\iff$ $\forall x \in I, f''(x) \le 0$
  • $(C_f)$ est convexe sur $I$ $\iff$ $\forall x \in I, f''(x) \ge 0$
  • $\Omega(a,f(a))$ est un point d'inflexion $\iff$ $f''$ s'annule en $a$ et change de signe de part et d'autre de $a$

VIII. Éléments de symétrie d'une courbe

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 :

  1. déterminer $D_f$ ;
  2. étudier les limites aux bornes et en déduire les branches infinies (asymptotes, branches paraboliques) ;
  3. calculer $f'(x)$, étudier son signe pour dresser le tableau de variation, et identifier les extremums ;
  4. si besoin, étudier $f''(x)$ pour la concavité et les points d'inflexion ;
  5. rechercher un éventuel axe ou centre de symétrie ;
  6. tracer la courbe à l'aide de tous ces éléments.

Exercices

Faciles

Exercice 1 — Nombre dérivé et tangente

Facile 10 min
Soit $f(x)=1-x^2$.
1) Calculer le nombre dérivé de $f$ en $1$.
2) Déterminer une équation de la tangente à $(C_f)$ au point d'abscisse $1$.

Exercice 2 — Calculs de dérivées (produit, quotient, composée trigonométrique)

Facile 10 min
Calculer la dérivée de chacune des fonctions suivantes, en précisant l'ensemble de dérivabilité :
1) $f(x)=(2x-3)(x^2-5x)$
2) $g(x)=\dfrac{x+1}{x-1}$
3) $h(x)=x^3\cos(x)$

Exercice 3 — Axe de symétrie

Facile 10 min
Soit $f(x)=-3x^2+5x-1$. Montrer que la droite $D:x=\dfrac56$ est un axe de symétrie de $(C_f)$.

Moyens

Exercice 1 — Signe de la dérivée et monotonie

Moyen 10 min
Soit $f(x)=(x-1)^3$.
1) Montrer que $f$ est dérivable sur $\mathbb{R}$ et calculer $f'(x)$.
2) Étudier le signe de $f'(x)$.
3) En déduire que $f$ est strictement croissante sur $\mathbb{R}$.

Exercice 2 — Tableau de variation et extremums locaux

Moyen 10 min
Soit $f(x)=3x-x^3$.
1) Dresser le tableau de variation de $f$ sur $\mathbb{R}$.
2) Montrer que $f$ admet un extremum sur $\left[-\dfrac{3}{2},0\right]$ et un extremum sur $\left[\dfrac{1}{2},2\right]$ ; préciser leur nature et leur valeur.

Exercice 3 — Dérivées successives

Moyen 10 min
Calculer $f''(x)$ (dérivée seconde) pour :
1) $f(x)=-3x^2-3x+7$
2) $f(x)=\dfrac14x^4-\dfrac13x^3-x^2$

Exercice 4 — Dérivée d'une fonction composée

Moyen 10 min
Soit $f(x)=\cos(x^2+1)$ et $g(x)=\sqrt{2+\sin(x)}$.
1) Écrire $f$ sous la forme $v \circ u$ avec $u(x)=x^2+1$ et $v(x)=\cos(x)$, puis calculer $f'(x)$.
2) Montrer que $g'(x)=\dfrac{\cos(x)}{2\sqrt{2+\sin(x)}}$.

Exercice 5 — Dérivée de $\sqrt[n]{u(x)}$

Moyen 10 min
Calculer la dérivée de :
1) $f(x)=\sqrt[4]{3+\cos(x)}$
2) $g(x)=\sqrt[5]{x^2-x}$

Exercice 6 — Concavité et point d'inflexion

Moyen 10 min
Soit $f(x)=x^3+x^2$.
1) Calculer $f''(x)$.
2) Étudier le signe de $f''(x)$ et en déduire les intervalles de concavité et de convexité de $(C_f)$.
3) Montrer que $(C_f)$ admet un point d'inflexion dont on précisera les coordonnées.

Exercice 7 — Centre de symétrie

Moyen 10 min
Soit $f(x)=\dfrac{2x-1}{x+1}$. Montrer que $\Omega(-1,2)$ est un centre de symétrie de $(C_f)$.

Difficiles

Exercice 1 — Dérivée de la fonction réciproque

Difficile 10 min
Soit $g(x)=x^3-3x$ définie sur $I=]1,+\infty[$.
1) Montrer que $g$ réalise une bijection de $I$ vers un intervalle $J$ à préciser.
2) Montrer que $g^{-1}$ est dérivable sur $J$.
3) Calculer $g(\sqrt2)$ et en déduire $(g^{-1})'(-\sqrt2)$, puis une équation de la tangente à $(C_{g^{-1}})$ au point d'abscisse $-\sqrt2$.

Exercice 2 — Branches infinies d'une fonction homographique

Difficile 10 min
Soit $f(x)=\dfrac{x^2+x-1}{x+2}$.
1) Déterminer $D_f$.
2) Calculer les limites de $f$ en $-2^-$ et $-2^+$ ; interpréter graphiquement.
3) Vérifier que $f(x)=x-1+\dfrac{1}{x+2}$, en déduire l'asymptote oblique en $+\infty$ et $-\infty$, puis la position de $(C_f)$ par rapport à cette asymptote.

Quiz — Quiz — Dérivabilité et étude de fonctions (20 questions)

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