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Leçon 1

Dérivée d'une fonction composée

Vidéo 1 : Dérivée d'une fonction composée · 3 min 46 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Ce que tu sais déjà (Première)

Dérivées des fonctions usuelles

f(x)f(x) f′(x)f'(x) Valable sur
kk (constante) 00 R\mathbb{R}
xnx^n (n≥1n \geq 1 entier) nxn−1nx^{n-1} R\mathbb{R}
1x\dfrac{1}{x} −1x2-\dfrac{1}{x^2} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
1xn\dfrac{1}{x^n} (n≥1n \geq 1 entier) −nxn+1-\dfrac{n}{x^{n+1}} ]−∞;0[]{-\infty};0[ ou ]0;+∞[]0;+\infty[
x\sqrt{x} 12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}} ]0;+∞[]0;+\infty[
sin⁡x\sin x cos⁡x\cos x R\mathbb{R}
cos⁡x\cos x −sin⁡x-\sin x R\mathbb{R}
tan⁡x\tan x 1+tan⁡2x=1cos⁡2x1 + \tan^2 x = \dfrac{1}{\cos^2 x} ]−π2+kπ;π2+kπ[\left]{-\frac{\pi}{2}}+k\pi;\frac{\pi}{2}+k\pi\right[

Règles de calcul. Pour uu et vv dérivables sur II et kk réel : (u+v)′=u′+v′(ku)′=ku′(uv)′=u′v+uv′(1v)′=−v′v2(uv)′=u′v−uv′v2(u+v)' = u'+v' \qquad (ku)' = ku' \qquad (uv)' = u'v+uv' \qquad \left(\frac{1}{v}\right)' = -\frac{v'}{v^2} \qquad \left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v-uv'}{v^2} (les deux dernières là où vv ne s'annule pas). Et la dérivée de x↦f(ax+b)x \mapsto f(ax+b) est x↦a f′(ax+b)x \mapsto a\,f'(ax+b).

Deux usages de la dérivée.

  • La tangente à Cf\mathcal{C}_f au point d'abscisse aa a pour équation y=f′(a)(x−a)+f(a)y = f'(a)(x-a) + f(a).
  • Sur un intervalle, si f′≥0f' \geq 0, ff est croissante ; si f′>0f' > 0, ff est strictement croissante ; de même pour la décroissance (admis en Première).

1.2 Le théorème

Théorème. Soit uu une fonction dérivable sur II, et gg une fonction dérivable sur un intervalle JJ contenant u(I)u(I). Alors la composée g∘u:x↦g(u(x))g \circ u : x \mapsto g\big(u(x)\big) est dérivable sur II et (g∘u)′(x)=g′(u(x))×u′(x).(g\circ u)'(x) = g'\big(u(x)\big) \times u'(x).

Bien lire la formule. On dérive la fonction « extérieure » gg en gardant l'intérieur u(x)u(x), puis on multiplie par la dérivée de l'intérieur. Le cas u(x)=ax+bu(x) = ax+b redonne la règle de Première : a g′(ax+b)a\,g'(ax+b).

Pourquoi ? Pour xx proche de aa, avec u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a), on écrit le taux d'accroissement en deux morceaux : g(u(x))−g(u(a))x−a=g(u(x))−g(u(a))u(x)−u(a)×u(x)−u(a)x−a.\frac{g(u(x)) - g(u(a))}{x-a} = \frac{g(u(x)) - g(u(a))}{u(x)-u(a)} \times \frac{u(x)-u(a)}{x-a}. Quand x→ax \to a, u(x)→u(a)u(x) \to u(a) car uu est continue. Le premier facteur tend vers g′(u(a))g'(u(a)), le second vers u′(a)u'(a). Cette justification suppose u(x)≠u(a)u(x) \neq u(a) près de aa ; le cas général s'admet.

1.3 Les formules à connaître

uu est une fonction dérivable sur II.

Fonction Dérivée Condition
unu^n (n≥1n \geq 1 entier) n u′ un−1n\,u'\,u^{n-1}
1u\dfrac{1}{u} −u′u2-\dfrac{u'}{u^2} uu ne s'annule pas sur II
u\sqrt{u} u′2u\dfrac{u'}{2\sqrt{u}} u>0u > 0 sur II
sin⁡u\sin u u′cos⁡uu'\cos u
cos⁡u\cos u −u′sin⁡u-u'\sin u

Exemple 1. f(x)=(2x2−3)4f(x) = (2x^2-3)^4. On pose u(x)=2x2−3u(x) = 2x^2-3, donc u′(x)=4xu'(x) = 4x : f′(x)=4×4x×(2x2−3)3=16x(2x2−3)3.f'(x) = 4 \times 4x \times (2x^2-3)^3 = 16x(2x^2-3)^3.

Exemple 2. g(x)=x2+x+1g(x) = \sqrt{x^2+x+1}. Le discriminant de x2+x+1x^2+x+1 vaut −3<0-3 < 0, donc x2+x+1>0x^2+x+1 > 0 pour tout réel xx, et gg est dérivable sur R\mathbb{R} : g′(x)=2x+12x2+x+1.g'(x) = \frac{2x+1}{2\sqrt{x^2+x+1}}.

Exemple 3. h(x)=sin⁡(x2)h(x) = \sin(x^2) donne h′(x)=2xcos⁡(x2)h'(x) = 2x\cos(x^2). Et k(x)=cos⁡3x=(cos⁡x)3k(x) = \cos^3 x = (\cos x)^3 donne k′(x)=3(−sin⁡x)cos⁡2x=−3sin⁡xcos⁡2xk'(x) = 3(-\sin x)\cos^2 x = -3\sin x\cos^2 x.

Piège classique. sin⁡(x2)\sin(x^2) et sin⁡2x=(sin⁡x)2\sin^2 x = (\sin x)^2 ne sont pas la même fonction. La première a pour dérivée 2xcos⁡(x2)2x\cos(x^2), la seconde 2sin⁡xcos⁡x2\sin x\cos x.

1.4 Application : sens de variation

Exemple 4. Étudier les variations de f(x)=x4−x2f(x) = x\sqrt{4-x^2} sur [−2;2][-2;2].

Sur ]−2;2[]{-2};2[, 4−x2>04-x^2 > 0. Par la règle du produit et la formule de u\sqrt{u} : f′(x)=4−x2+x×−2x24−x2=(4−x2)−x24−x2=2(2−x2)4−x2.f'(x) = \sqrt{4-x^2} + x \times \frac{-2x}{2\sqrt{4-x^2}} = \frac{(4-x^2) - x^2}{\sqrt{4-x^2}} = \frac{2(2-x^2)}{\sqrt{4-x^2}}. Le dénominateur est positif, donc f′(x)f'(x) a le signe de 2−x22 - x^2 : positif sur ]−2;2[]-\sqrt2;\sqrt2[, négatif ailleurs.

ff est décroissante sur [−2;−2][-2;-\sqrt2], croissante sur [−2;2][-\sqrt2;\sqrt2], décroissante sur [2;2][\sqrt2;2]. Son minimum est f(−2)=−2f(-\sqrt2) = -2, son maximum f(2)=2×2=2f(\sqrt2) = \sqrt2 \times \sqrt2 = 2. On reverra cette fonction en 22 à la leçon 3.

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Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : dériver une composée
  • Exercice 2 : variations

Exercices du chapitre (PDF, 464 Ko)

Corrigés

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Corrigés du chapitre (PDF, 626 Ko)

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