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Leçon 7

Utiliser la dérivée : bijection, équations, optimisation

Vidéo 7 : Utiliser la dérivée · 3 min 41 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 Dérivée et bijection

Définition (rappel). Soit II et JJ deux intervalles. On dit que ff est une bijection de II sur JJ si tout réel yy de JJ a un unique antécédent xx dans II : pour tout y∈Jy \in J, l'équation f(x)=yf(x) = y a une solution et une seule dans II.

Théorème (admis). Si ff est dérivable et strictement monotone sur un intervalle II, alors ff est une bijection de II sur f(I)f(I).

Cas particulier (admis). Si ff est dérivable sur [a ;b][a\,;b] et si f′f' est strictement positive sur [a ;b][a\,;b], alors ff est une bijection strictement croissante de [a ;b][a\,;b] sur [f(a) ;f(b)][f(a)\,;f(b)]. Si f′f' est strictement négative sur [a ;b][a\,;b], ff est une bijection strictement décroissante de [a ;b][a\,;b] sur [f(b) ;f(a)][f(b)\,;f(a)].

L'intervalle f(I)f(I) se lit sur le tableau de variations, avec les valeurs et les limites aux bornes (chapitre 2).

7.2 Résoudre une équation f(x)=kf(x) = k

Conséquence. Si ff est dérivable et strictement monotone sur l'intervalle II, et si kk appartient à f(I)f(I), l'équation f(x)=kf(x) = k admet une solution unique dans II. Graphiquement, la droite horizontale d'équation y=ky = k coupe la courbe en un seul point au-dessus de II.

Exemple 33. Montrons que l'équation x3−3x−3=0x^3 - 3x - 3 = 0 a une seule solution réelle, et encadrons-la.

Soit f(x)=x3−3x−3f(x) = x^3 - 3x - 3. On a f′(x)=3(x−1)(x+1)f'(x) = 3(x - 1)(x + 1), d'où le tableau de variations : ff croît de −∞-\infty à f(−1)=−1f(-1) = -1, décroît jusqu'à f(1)=−5f(1) = -5, puis croît jusqu'à +∞+\infty.

  • Sur ]−∞ ;1]]-\infty\,;1], le maximum de ff est f(−1)=−1f(-1) = -1 : f(x)≤−1<0f(x) \leq -1 < 0. Il n'y a pas de solution.
  • Sur I=]1 ;+∞[I = ]1\,;+\infty[, f′(x)>0f'(x) > 0 : ff est dérivable et strictement croissante sur II, donc c'est une bijection de II sur f(I)=]−5 ;+∞[f(I) = ]-5\,;+\infty[. Comme 0∈]−5 ;+∞[0 \in ]-5\,;+\infty[, l'équation a une solution unique α\alpha dans II.
  • Encadrement. f(2)=−1<0f(2) = -1 < 0 et f(3)=15>0f(3) = 15 > 0 : comme ff est croissante sur II, 2<α<32 < \alpha < 3. Puis, à la calculatrice, f(2,1)=−0,039<0f(2{,}1) = -0{,}039 < 0 et f(2,2)=1,048>0f(2{,}2) = 1{,}048 > 0 : 2,1<α<2,22{,}1 < \alpha < 2{,}2.

Inéquation. On en déduit aussi le signe de ff : f(x)<0f(x) < 0 pour x<αx < \alpha, et f(x)>0f(x) > 0 pour x>αx > \alpha.

7.3 Problèmes d'optimisation

Optimiser, c'est chercher la valeur de la variable qui rend une grandeur la plus grande ou la plus petite possible.

Méthode.

  1. Choisir la variable et l'intervalle où elle varie.
  2. Exprimer la grandeur à optimiser en fonction de cette variable.
  3. Étudier ses variations à l'aide de la dérivée.
  4. Conclure, avec l'unité, en répondant à la question posée.

Exemple 34 (la boîte de volume maximal). Dans une feuille de carton carrée de 3030 cm de côté, on découpe un carré de côté xx (en cm) à chaque coin, puis on relève les bords pour obtenir une boîte sans couvercle. Pour quelle valeur de xx le volume est-il maximal ?

La base est un carré de côté 30−2x30 - 2x et la hauteur vaut xx, avec 0<x<150 < x < 15. Le volume est V(x)=x (30−2x)2.V(x) = x\,(30 - 2x)^2. Par la règle du produit (et la dérivée de (30−2x)2(30 - 2x)^2, qui vaut −2×2(30−2x)-2 \times 2(30 - 2x)) : V′(x)=(30−2x)2−4x (30−2x)=(30−2x)(30−6x)=12 (15−x)(5−x).V'(x) = (30 - 2x)^2 - 4x\,(30 - 2x) = (30 - 2x)(30 - 6x) = 12\,(15 - x)(5 - x). Sur ]0 ;15[]0\,;15[, 15−x>015 - x > 0 ; donc V′(x)>0V'(x) > 0 sur ]0 ;5[]0\,;5[ et V′(x)<0V'(x) < 0 sur ]5 ;15[]5\,;15[. Le volume est maximal pour x=5x = 5 cm : V(5)=5×202=2 000V(5) = 5 \times 20^2 = 2\,000 cm³, soit 22 litres.

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Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : équations
  • Exercice 12 : optimisation

Exercices du chapitre (PDF, 325 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 404 Ko)

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