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Leçon 2

Tangente à une courbe, approximation affine

Vidéo 2 : Tangente et approximation affine · 4 min 04 s · sous-titres en français

Le cours écrit

2.1 De la sécante à la tangente

Soit ff dérivable en x0x_0, A(x0 ;f(x0))A\big(x_0\,;f(x_0)\big), et MM un point de Cf\mathcal{C}_f d'abscisse x0+hx_0 + h. Quand hh tend vers 00, le point MM se rapproche de AA sur la courbe, et la sécante (AM)(AM) tourne autour de AA : son coefficient directeur, le taux d'accroissement, tend vers f′(x0)f'(x_0). La sécante se rapproche ainsi d'une position limite : la droite qui passe par AA et dont le coefficient directeur est f′(x0)f'(x_0). C'est la tangente.

Définition. Si ff est dérivable en x0x_0, la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point A(x0 ;f(x0))A\big(x_0\,;f(x_0)\big) est la droite qui passe par AA et qui a pour coefficient directeur f′(x0)f'(x_0).

2.2 Équation de la tangente

Une droite de coefficient directeur mm qui passe par A(x0 ;f(x0))A\big(x_0\,;f(x_0)\big) a pour équation y−f(x0)=m(x−x0)y - f(x_0) = m(x - x_0). D'où :

Propriété. Si ff est dérivable en x0x_0, la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse x0x_0 a pour équation y=f′(x0) (x−x0)+f(x0).y = f'(x_0)\,(x - x_0) + f(x_0).

Exemple 7. Pour f(x)=x2f(x) = x^2 en x0=3x_0 = 3 : f(3)=9f(3) = 9 et f′(3)=6f'(3) = 6 (exemple 2). La tangente a pour équation y=6(x−3)+9y = 6(x - 3) + 9, soit y=6x−9y = 6x - 9.

Exemple 8. Pour g(x)=1xg(x) = \dfrac1x en x0=2x_0 = 2 : g(2)=12g(2) = \dfrac12 et g′(2)=−14g'(2) = -\dfrac14 (exemple 3). La tangente a pour équation y=−14(x−2)+12y = -\dfrac14(x - 2) + \dfrac12, soit y=−14x+1y = -\dfrac14 x + 1.

Exemple 9. Pour p(x)=x3−2xp(x) = x^3 - 2x en x0=1x_0 = 1 : p(1)=−1p(1) = -1 et p′(1)=1p'(1) = 1 (exemple 5). La tangente a pour équation y=(x−1)−1y = (x - 1) - 1, soit y=x−2y = x - 2.

Tangente horizontale. Si f′(x0)=0f'(x_0) = 0, la tangente en AA est la droite horizontale d'équation y=f(x0)y = f(x_0).

Exemple 10. Soit q(x)=x2−4x+1q(x) = x^2 - 4x + 1 et x0=2x_0 = 2. On a q(2)=−3q(2) = -3 et, pour h≠0h \neq 0, q(2+h)−q(2)h=(4+4h+h2)−(8+4h)+1+3h=h2h=h,\frac{q(2 + h) - q(2)}{h} = \frac{(4 + 4h + h^2) - (8 + 4h) + 1 + 3}{h} = \frac{h^2}{h} = h, qui tend vers 00. Donc q′(2)=0q'(2) = 0 : la tangente au sommet S(2 ;−3)S(2\,;-3) de la parabole est la droite horizontale y=−3y = -3.

Tracer une tangente. On part de AA, on avance d'une unité vers la droite, puis on monte de f′(x0)f'(x_0) (on descend si f′(x0)<0f'(x_0) < 0) : on obtient un second point de la tangente.

2.3 Approximation affine

Près du point AA, la courbe et sa tangente sont presque confondues : on peut remplacer ff par la fonction affine dont la droite représentative est la tangente.

Propriété (approximation affine). Si ff est dérivable en x0x_0, alors, pour hh proche de 00, f(x0+h)≈f(x0)+f′(x0) h.f(x_0 + h) \approx f(x_0) + f'(x_0)\,h. Le nombre f(x0)+f′(x0) hf(x_0) + f'(x_0)\,h est l'ordonnée du point de la tangente d'abscisse x0+hx_0 + h.

Pour aller plus loin (non exigible). On peut écrire f(x0+h)=f(x0)+f′(x0) h+h φ(h)f(x_0 + h) = f(x_0) + f'(x_0)\,h + h\,\varphi(h), où φ(h)=f(x0+h)−f(x0)h−f′(x0)\varphi(h) = \dfrac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} - f'(x_0) tend vers 00 quand hh tend vers 00 : l'erreur commise est petite devant hh. Par exemple, (3+h)2=9+6h+h×h(3 + h)^2 = 9 + 6h + h \times h, avec ici φ(h)=h\varphi(h) = h.

Exemple 11. La racine carrée en 44 : k(4)=2k(4) = 2 et k′(4)=14k'(4) = \dfrac14 (exemple 4). Donc, pour hh proche de 00, 4+h≈2+h4\sqrt{4 + h} \approx 2 + \dfrac h4.

  • Avec h=0,02h = 0{,}02 : 4,02≈2,005\sqrt{4{,}02} \approx 2{,}005. La calculatrice donne 2,004 993…2{,}004\,993\ldots : l'erreur est inférieure à 10−510^{-5}.
  • Avec h=−0,04h = -0{,}04 : 3,96≈2−0,01=1,99\sqrt{3{,}96} \approx 2 - 0{,}01 = 1{,}99. La calculatrice donne 1,989 974…1{,}989\,974\ldots

Trois approximations utiles en 11. En calculant les nombres dérivés en 11 des fonctions x↦x2x \mapsto x^2, x↦1xx \mapsto \dfrac1x et x↦xx \mapsto \sqrt x (ils valent 22, −1-1 et 12\dfrac12), on obtient, pour hh proche de 00 : (1+h)2≈1+2h,11+h≈1−h,1+h≈1+h2.(1 + h)^2 \approx 1 + 2h, \qquad \frac{1}{1 + h} \approx 1 - h, \qquad \sqrt{1 + h} \approx 1 + \frac h2.

Exemple 12. 11,02≈1−0,02=0,98\dfrac{1}{1{,}02} \approx 1 - 0{,}02 = 0{,}98 (la calculatrice donne 0,980 39…0{,}980\,39\ldots) ; 1,0032≈1,0061{,}003^2 \approx 1{,}006 (valeur exacte 1,006 0091{,}006\,009) ; 1,06≈1,03\sqrt{1{,}06} \approx 1{,}03 (la calculatrice donne 1,029 56…1{,}029\,56\ldots).

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Exercices 3 et 4

  • Exercice 3 : lecture graphique
  • Exercice 4 : équations de tangentes, approximation affine

Exercices du chapitre (PDF, 325 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 404 Ko)

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