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Évaluation de progression · Chapitre 3

Devoir sur 20 : Dérivation

Devoir d'une heure, sur 20 points, commun aux séries S1-S3 et S2-S4 (il ne porte que sur le socle commun). Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (5 points)

Soit ff la fonction définie sur ]−1 ;+∞[]-1\,;+\infty[ par f(x)=1x+1f(x) = \dfrac{1}{x + 1}.

  1. Pour h≠0h \neq 0 (et h>−2h > -2), calculer et simplifier f(1+h)−f(1)h\dfrac{f(1 + h) - f(1)}{h}. En déduire que ff est dérivable en 11 et donner f′(1)f'(1). (2 points)
  2. Donner une équation de la tangente TT à la courbe de ff au point AA d'abscisse 11. (1 point)
  3. En déduire, sans calculatrice, une valeur approchée de 12,02\dfrac{1}{2{,}02}. (1 point)
  4. Retrouver f′(1)f'(1) à l'aide des règles de dérivation. (1 point)

Exercice 2 (4 points)

Calculer la dérivée de chacune des fonctions suivantes, définies et dérivables sur l'intervalle indiqué, et la simplifier.

  1. f1(x)=4x3−2x2+7f_1(x) = 4x^3 - 2x^2 + 7 sur R\mathbb{R}. (0,5 point)
  2. f2(x)=xcos⁡xf_2(x) = x\cos x sur R\mathbb{R}. (1 point)
  3. f3(x)=3x+2x−1f_3(x) = \dfrac{3x + 2}{x - 1} sur ]1 ;+∞[]1\,;+\infty[. (1 point)
  4. f4(x)=(1−2x)3f_4(x) = (1 - 2x)^3 sur R\mathbb{R}. (0,5 point)
  5. f5(x)=sin⁡(3x+1)f_5(x) = \sin(3x + 1) sur R\mathbb{R}. (1 point)

Exercice 3 (8 points)

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=x3−3x2−9x+5f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5, et Cf\mathcal{C}_f sa courbe.

  1. Déterminer les limites de ff en −∞-\infty et en +∞+\infty. (1 point)
  2. Calculer f′(x)f'(x) et montrer que f′(x)=3(x+1)(x−3)f'(x) = 3(x + 1)(x - 3). Étudier le signe de f′(x)f'(x). (2 points)
  3. Dresser le tableau de variations de ff et donner ses extremums locaux. (2 points)
  4. Donner une équation de la tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse 00. (1 point)
  5. Montrer que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une solution unique α\alpha dans l'intervalle [4 ;5][4\,;5], puis donner un encadrement de α\alpha d'amplitude 0,10{,}1. (2 points)

Exercice 4 (3 points)

Dans un repère orthonormé (unité : 1 cm), on considère la parabole d'équation y=12−x2y = 12 - x^2. Pour 0<x<230 < x < 2\sqrt3, on construit le rectangle dont deux sommets sont sur l'axe des abscisses, aux points d'abscisses −x-x et xx, et les deux autres sur la parabole.

  1. Montrer que l'aire du rectangle, en cm², est A(x)=24x−2x3A(x) = 24x - 2x^3. (1 point)
  2. Étudier les variations de AA sur ]0 ;23[\left]0\,;2\sqrt3\right[, puis déterminer la valeur de xx pour laquelle l'aire est maximale, et cette aire maximale. (2 points)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (2 pts) f(1)=12f(1) = \dfrac12 et f(1+h)=12+hf(1 + h) = \dfrac{1}{2 + h}. Donc (1 pt) f(1+h)−f(1)=2−(2+h)2(2+h)=−h2(2+h)etf(1+h)−f(1)h=−12(2+h).f(1 + h) - f(1) = \frac{2 - (2 + h)}{2(2 + h)} = \frac{-h}{2(2 + h)} \qquad \text{et} \qquad \frac{f(1 + h) - f(1)}{h} = \frac{-1}{2(2 + h)}. Quand hh tend vers 00, ce taux tend vers −14-\dfrac14 : ff est dérivable en 11 et f′(1)=−14f'(1) = -\dfrac14 (1 pt).

2. (1 pt) T:y=−14(x−1)+12T : y = -\dfrac14(x - 1) + \dfrac12, soit y=−14x+34y = -\dfrac14 x + \dfrac34.

3. (1 pt) 12,02=f(1,02)≈f(1)+f′(1)×0,02=0,5−0,005=0,495\dfrac{1}{2{,}02} = f(1{,}02) \approx f(1) + f'(1) \times 0{,}02 = 0{,}5 - 0{,}005 = 0{,}495. (La calculatrice donne 0,495 04…0{,}495\,04\ldots)

4. (1 pt) Avec (1v)′=−v′v2\left(\dfrac1v\right)' = -\dfrac{v'}{v^2} et v(x)=x+1v(x) = x + 1 : f′(x)=−1(x+1)2f'(x) = -\dfrac{1}{(x + 1)^2}, donc f′(1)=−14f'(1) = -\dfrac14.

Exercice 2

1. (0,5 pt) f1′(x)=12x2−4xf_1'(x) = 12x^2 - 4x.

2. (1 pt) Règle du produit : f2′(x)=cos⁡x−xsin⁡xf_2'(x) = \cos x - x\sin x.

3. (1 pt) f3′(x)=3(x−1)−(3x+2)(x−1)2=−5(x−1)2f_3'(x) = \dfrac{3(x - 1) - (3x + 2)}{(x - 1)^2} = -\dfrac{5}{(x - 1)^2}.

4. (0,5 pt) f4′(x)=−2×3(1−2x)2=−6(1−2x)2f_4'(x) = -2 \times 3(1 - 2x)^2 = -6(1 - 2x)^2.

5. (1 pt) f5′(x)=3cos⁡(3x+1)f_5'(x) = 3\cos(3x + 1).

Exercice 3

1. (1 pt) En ±∞\pm\infty, f(x)f(x) se comporte comme son terme de plus haut degré x3x^3 : lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty et lim⁡x→+∞f(x)=+∞\displaystyle\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty.

2. (2 pts) f′(x)=3x2−6x−9f'(x) = 3x^2 - 6x - 9 (0,5 pt). Et 3(x+1)(x−3)=3(x2−2x−3)=3x2−6x−93(x + 1)(x - 3) = 3(x^2 - 2x - 3) = 3x^2 - 6x - 9 (0,5 pt). Ce trinôme s'annule en −1-1 et 33 ; il est positif à l'extérieur des racines, négatif entre elles (1 pt).

3. (2 pts) f(−1)=−1−3+9+5=10f(-1) = -1 - 3 + 9 + 5 = 10 et f(3)=27−27−27+5=−22f(3) = 27 - 27 - 27 + 5 = -22.

xx −∞-\infty −1-1 33 +∞+\infty
f′(x)f'(x) ++ 00 −- 00 ++
ff −∞-\infty ↗\nearrow 1010 ↘\searrow −22-22 ↗\nearrow +∞+\infty

(1,5 pt pour le tableau.) ff admet un maximum local 1010 en −1-1 et un minimum local −22-22 en 33 (0,5 pt).

4. (1 pt) f(0)=5f(0) = 5 et f′(0)=−9f'(0) = -9 : la tangente a pour équation y=−9x+5y = -9x + 5.

5. (2 pts) Sur [4 ;5][4\,;5], f′(x)=3(x+1)(x−3)>0f'(x) = 3(x + 1)(x - 3) > 0 : ff est une bijection strictement croissante de [4 ;5][4\,;5] sur [f(4) ;f(5)]=[−15 ;10][f(4)\,;f(5)] = [-15\,;10] (car f(4)=64−48−36+5=−15f(4) = 64 - 48 - 36 + 5 = -15 et f(5)=125−75−45+5=10f(5) = 125 - 75 - 45 + 5 = 10). Comme 0∈[−15 ;10]0 \in [-15\,;10], l'équation f(x)=0f(x) = 0 a une solution unique α\alpha dans [4 ;5][4\,;5] (1 pt). À la calculatrice, f(4,6)≈−2,54<0f(4{,}6) \approx -2{,}54 < 0 et f(4,7)≈0,25>0f(4{,}7) \approx 0{,}25 > 0, donc 4,6<α<4,74{,}6 < \alpha < 4{,}7 (1 pt).

Exercice 4

1. (1 pt) Le rectangle a pour largeur x−(−x)=2xx - (-x) = 2x et pour hauteur l'ordonnée 12−x212 - x^2 du point de la parabole d'abscisse xx (positive car x<23x < 2\sqrt3). Donc A(x)=2x(12−x2)=24x−2x3A(x) = 2x(12 - x^2) = 24x - 2x^3.

2. (2 pts) A′(x)=24−6x2=6(4−x2)=6(2−x)(2+x)A'(x) = 24 - 6x^2 = 6(4 - x^2) = 6(2 - x)(2 + x) (0,5 pt). Sur ]0 ;23[\left]0\,;2\sqrt3\right[, A′(x)A'(x) a le signe de 2−x2 - x : AA est croissante sur ]0 ;2]]0\,;2] et décroissante sur [2 ;23[\left[2\,;2\sqrt3\right[ (1 pt). L'aire est maximale pour x=2x = 2 : A(2)=48−16=32A(2) = 48 - 16 = 32 cm² (0,5 pt).

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